EGSnrc 程序说明书

EGSnrc Code 系统(701) 电子和光子传输的蒙特卡诺模拟 I. Kawrakow1 E. Mainegra-Hing1, D.W.O. Rogers2, F. Tessier1 and B.R.B. Walters1 1Ionizing Radiation Standards, NRC, Ottawa, Canada 2Carleton University, Ottawa, Canada iwan@irs.phy.nrc.ca drogers@physics.carleton.ca July 10, 2009 NRCC Report PIRS-701 EGSnrc码系统牌照EGSnrc码系统(即所有作品代码表示均受EGSnrc牌照,包括例程有关1999年和更高版本EGSnrc和环境商品和服务的Windows中,所有相关的源代码,核管理委员会有关的多个数据库散射和自旋校正,以及美国国家研究委员会用户守则DOSRZnrc , FLURZnrc ,CAVRZnrc和SPRRZnrc ,所有的脚本和所有相关文件)的版权材料所拥有的加拿大国家研究院,保留所有权利。那些部分系统的版权拥有共同或完全由斯坦福大学 线性加速器中心,分布核管理委员会下一次正式/斯坦福线性加速器中心的。 1 )核管理委员会的赠款用户不可转让,非独占许可使用此系统免费只用于非商业研究或教育目的。所有专利利益,权利,所有权和版权的EGSnrc代码系统仍然与核管理委员会。 2 )表示,核管理委员会的书面同意,如果需要的EGSnrc代码系统或任何 部分或衍生物或数据所产生的代码是用个人或组织对发展中国家的商业产品或服务。 3 )表示,核管理委员会的书面同意,如果需要此代码系统或其中任何部分 是用在服务收费的申请,无论是临床或顾问。 4 )表示,书面同意,核管理委员会是美国国家研究委员会,如果需要修改或多个自旋散射数据基地将用于直接或间接地以任何其他应用程序,无论是商业或非商业。 5 )编码系统,必须获得核管理委员会。用户不得复制或分发代码系统或部件。 6 )核管理委员会不承担任何保证,表示,默示或法定的任何种类或性质关于软 件,包括但不限于任何适销性的保证或针对特定用途的适用性。核管理委员会不承担责任在任何情况下的任何损害,不论是直接或间接,特别或一般,必然或偶然的,因使用该软件。 7 )本牌照取代所有之前的通讯和协议,书面或口头,关于EGSnrc代码系统。 任何修改或放弃条款是有效的,除非采用书面形式,双方签署和具体规定的意图影响此牌照。 8 )此牌照是法律的管制,安大略省和加拿大适用之。那个用户同意的管辖范围, 联邦法院和法庭的安大略省。 的意图,上述可能得到的最好的例子。如果您正处于一个不牟利机构,而不是下工作的合同或赠款,商业组织,你有一个免费的牌照使用EGSnrc 。如果您工作的一个商业组织(除医院),那么您可能只使用EGSnrc如果您的组织具有与许可协议核管理委员会。如果您在医院工作,但使用的是代码只用于内部或个人研究目的,你有一个免费的牌照使用EGSnrc 。如果你工作的任何类型的组 织,你的工作是由商业组织为任何目的有关的商业使用,那么你需要一个许可证协议,核管理委员会。 序言 第五印刷: 2009年7月 出现了大量的变化,该系统自去年11月在印刷2003年,但没有正确地添加到文件。这种印刷是企图以更新此报告,以更好地反映EGSnrc的状态,但还远远没有完成。发展EGSnrc C++类库,其中包括普通用途几何软件包,它的首次公开发行在2005年已向前迈进了一大步。那个C++类库中所描述的另一份报告(PIRS-898)。主要修改和补充物理学的EGSnrc包括:可进行模拟电子碰撞 电离,一个改善轫库,其中包括一个准确的评价电子电子轫第一玻恩近似,改进差分对生产截面制表巴勒斯坦供水局的基础上精确的计算,考虑到不对称能 量分布在能源接近临界值的能力,explicitely模拟三重相互作用(即,对生 产中的电子场),有能力采取考虑到辐射更正为康普顿散射的一环近似,能够使用用户提供的原子和分子形式因素的瑞利散射,并有能力使用总光子截面从 EPDL97,XCOM,或任何其他用户提供的表格中,除了默认的风暴与以色列表格。 最后,更好地反映其贡献的开发和维护的系统,埃内斯托Mainegra兴,布雷克沃尔特斯和弗雷德里克Tessier已添加的共同作者。 第四次印刷: 2003年11月 时间提到EGSnrcMP和报告PIRS-877。一些小的变化有关重大变化的作业系统,使的Windows兼容。有没有相关变化的物理系统。表7重新定时随机数发生了变化大大。 第三次印刷: 2002年4月 小的变化反映了代码的变更。见第8.10 。 第二次印刷: 2001年5月 第二次印刷包含的说明使用RHOF (第3.4.2 ,页123 )和$集RHOF (第3.4.1.v , 119页)。有一个简短的讨论,结合新的egsnrc ,脚本自动分析所造成的许多文件?pprocess平行运行((节8月7日, 290页))。有一种新的一节中关于终止历史与野生= 0.0 (第3.8页, 139 )。最后,新的一节中增加了其中的几个文件未成年人所做的更改EGSnrc自初始发行((第8月10日,页292 ))。 第一次印刷: 2000年5月 在10年半以来的原始版本EGS4被释放有远远超过1000年发表的论文中引用原始塌陷- 265的报告。代码本身改进了许多不同的方式得到了许多人。详细历史上的大部分截至1994年,读者提到了题为“历史,概况和最近的改进EGS4 “的Bielajew等人是可以在网上。 在过去几年中有了重大进展的几个方面电子运输。例如,改进多重散射理论已经制订了Kawrakow和Bielajew [1,2,3] ,其中大部分获得的缺点莫里哀理论用于EGS4 。或许更重要的是发展Kawrakow和Bielajew [4]一个新的 电子输运算法,有时被称为PRESTA - 2 ,这使得一个重大的科学进展的电子传递。除了这些进展,Kawrakow实施了其他一些改进电子输运算法环境商品和服务,使人们能够准确地计算离子商会反应在0.1 %水平(相对于自己的截面) [5,6] 。 EGSnrc还实施了各种附加功能,其中许多以前得到了广泛的发展为增加EGS4的Namito ,平山郁夫和禁令科索沃能源公司以及[ 7,8,9,10]。EGSnrc 办法的不同之处,在电力公司集团,部分因为一旦我们作出根本性的改变代码,我们进行的是通过在一致的方式。然而,电力公司集团已经实施的几个选项尚未 EGSnrc (如极化光子散射和电子碰撞电离)。 这份报告的目的是文件的许多变化已经发生,从EGS4以EGSnrc 。虽然这个 报告是两个人写的,系统的环境商品和服务显然是儿童的许多父母谁作出了各种各样的捐款多年来。这个顺利回到理查德福特,然后在斯坦福线性加速器中心, 谁作出了重要贡献EGS3 。平山秀夫,西班和Yosh Namito的电力公司取得了无数的贡献环境商品和服务,特别是关于低能量光子物理。亚历克Bielajew 在关于环境产品和服务工作核管理委员会从80年代初至90年代后期,他的名字联系在一起了一大批重要的环境商品和服务的贡献,也许是最重要的PRESTA 算法,而且还很多其他具体的改进物理基础的Unix脚本和用户守则的核管理委 员会。他的名字出现在非常广泛的参考名单。的名称,沃尔特拉尔夫纳尔逊 几乎是同义词,环境产品和服务的所有用户的任何版本的系统将环境商品和服务永远是在拉尔夫的债务。据他的热情和愿意帮助他人,分享这一资源如此忘我这使我们取得巨大成功的。所有这些人谁的贡献,以便广泛的环境商品和服务系统,以及无数其他谁发挥了不同的角色,我们都负有巨额债务的感激之情。 值得指出的是,核管理委员会和斯坦福线性加速器中心已制定了一项正式协议,其中确认双方的权利与EGS4和EGSnrc 。因此,在本报告中有部分是逐字摘自塌陷- 265 (特别是PEGS4和用户指南Mortran3 )和我们要感谢斯坦福线性加速器中心的授权复制它们。我们还提请注意的版权和许可安排与GSnrc 这是类似于EGS4 ,但正在变得更加严格控制在本不断变化的世界,我们生活都EGS4英寸也不EGSnrc是公共领域的软件。他们都是版权保护的核管 理委员会和/或塌陷。正式授权声明更准确和一揽子的一部分,但总的意思是个 人获未经授权费用将它用于非商业目的,但核管理委员会的授权是需要的任何商业应用,并通过定义某人工作的非营利组织或工作的合同,这样的一个组织正在制订一项商业应用程序。 接下来会怎样? 一节中的序塌陷- 265,有7个地区确定为需要更多工作。关于环境产品和服务的工作尚未完成,至少有2 7仍然开放,即: ?发展有效率的,一般用途的几何一揽子针对环境产品和服务结构。 ?执行一个一般用途的能量损失straggling算法正确处理能源限 还有其他一些问题,这些问题仍然撤消内EGSnrc 。 ?模拟电子碰撞电离 ?一些关键功能,然后在下一次的应用! 我们鼓励用户贡献其改进代码。我们将愉快地购买那些这是普遍关心并提供网站的分布而这些增加特别感兴趣。我们也将得到错误的报告。虽然我们已经做了广泛的质量保证系统,有很多的变化,而不是所有地区的代码为仔细检查象我们所希望的。然而,压力释放代码是迫使我们着手在这一点上。 我们要感谢我们的许多同事在挪威难民理事会谁有助于这项工作。在尤其是米歇尔普洛尔斯出色帮助保持计算机系统顺利进行,1月Seuntjens他帮助用户守则,乔安妮Treurniet她帮助最最新版本的环境商品和服务的Windows系统和布莱克沃尔特斯的工作质量保证的。 2辐射运输EGSnrc 2.1导言 光子相互作用问题通过与周边四个基本过程:物化到电子/正对在电磁场的核 和周围的原子电子,语无伦次(康)散射与原子的电子,光电吸收和连贯(瑞利)散射的分子(或原子)的媒介。第一三个类型的碰撞能量转移的光子辐射场对 electrons1之一其中占主导地位取决于能源和媒介运输发生。两人生产process2占主导地位的高能量。在一些中间力量非相干散射是最重要的进程,在低能量的光电进程占主导地位。 电子,因为他们遍历问题,失去能源的两个基本过程:非弹性碰撞电子和原子辐射。辐射能量损失,发生韧值辐射和正电子湮没,转让能源回到光子并导致耦合的电子和光子辐射领域。该进程是轫主导机制的电子能量损失在高能量,非弹性碰撞更重要的低能。此外,参加弹性电子与原子碰撞原子核发生在高利率,并导致经常改变电子方向。 非弹性碰撞和电子与光子相互作用导致原子电子激发和ionizations的原子 沿路径的粒子。高激发原子与内壳空缺炮弹,放松通过发射光子和电子与特点精力。耦合积分微分方程描述电磁淋浴发展是望而却步,使复杂的分析处理,除非严重的近似值。蒙特卡罗(只限英语)技术是目前唯一已知的解决方法可应用于任何能源的各种利益。 Monte Carlo模拟的粒子输运过程是一个忠实的物理模拟现实:粒子的“诞生”根据分布说明来源,他们的旅行一定的距离,确定的概率分布取决于总的相互作用截面,该网站的碰撞和散射到另一个能源和/或指示根据相应的微分截面,可能产生新的粒子,已经运到的。这一程序一直持续到所有的粒子吸收或离开几何审议。大量的利益可以计算出平均每在一组给定的MC颗粒“历史” (也称为是“阵雨”或“情况” )。从数学的观点每个粒子“历史”是一个点,一个D -三维空间(维度取决于一些互动)和平均程序对应于d维蒙特卡洛一体化。因此,蒙特卡洛估计数量的利益是受统计的不确定性取决于氮,粒子的数目历史模拟,通常跌幅为N-1 /2。根据这个问题正在调查中所需的统计的准确性,很长的计算有时可能是必要的。 另外一个困难的情况下发生的Monte Carlo模拟电子运输。在此过程中放 缓,一个典型的快电子和二次粒子它创造接受数以十万计的相互作用与周边的问题。由于这大量的碰撞,一个事件的事件仿真的电子输运往往不可能由于计算能 力的限制。绕过这一困难,伯杰[15]制定了“浓缩历史” (瑞士)技术的模拟带电粒子运输。在此方法中,大量的后继运输和碰撞过程是“浓缩”到一个单一的“第一步”的累积效应是个人的相互作用考虑到抽样的变化,粒子的能量,方向运动,并位置,结束时的步骤适当多重散射分布。这架CH 技术,出于一个事实, 即单一的原子碰撞的原因,在大多数情况下,只有轻微的变化,粒子的能量和方向的航班,使三菱商事模拟带电粒子运输是可能的,而且介绍了一种人为的参数, 步长。的依赖,计算结果的步骤长度已成为著名的步长影[ 16 ] 。 EGSnrc是通用软件包Monte Carlo模拟电子耦合和光子运输,使用的CH技术。它基于流行的EGS4系统[ 12 ]但包括各种增强的CH执行,在一些基本的截面。我们认识到,许多的修改,我们必须原来的EGS4执行并不重要,高能源的应用,最初EGS4 '主要目标。另一方面,能量范围内的应用 EGS4系统已转向多年来低能量。为了促进这一转型期的许多增强的原始EGS4执行已经制定,例如在PRESTA算法[17],列入角分布的轫光子[18] ,低能量光子截面增强集团在电力公司/日本[7],只提及其中的一些。提供这些改进,最近的进展理论认识的历史浓缩技术[ 4 , 5 ]和多个弹性散射[ 1 ] ,以及未发表的结果,我们最近的研究促使我们进行大规模的重建工作EGS4系统的结果,这是EGSnrc 。这是本报告的目的,总结现阶段的EGSnrc系统。我们试 图自我介绍一致,因此,一些中所载的材料这份报告是不是新的。特别是,来自 各地区的EGS4手册,斯坦福线性加速器中心- 265纳尔逊等人[ 12 ] 。 本报告并不试图提供一个完整的治疗方法蒙特卡罗或概率抽样理论。读者不熟悉蒙特卡罗技术鼓励阅读有很多不错评语可用。 2.2光子相互作用 2.2.1对生产和三重 2.2.1.i截面 的费曼图用于生产电子对对在核领域是中图。 1 。生产过程中的三类似,但发生的相互作用的一个原子的电子得到足够的能量将释放(所以,有3二次电子生产的互动)。默认情况下,生产过程中的三联不是模拟明确,但考虑到在一个近似的方式使用的总一双+三重截面样品距离随后对生产碰撞。通过默认EGSnrc采用截面用EGS4 ,即第一个出生的极端相对论逼近(库仑更正超过50兆电子伏)微分截面为制定在文章的弗雷德里克,奥尔森和Koch [ 19 ] 。一个光子能量k事件的核心与原子序数Z的的差分对生产截面: 图1 :费曼图的对生产过程 其中E +和E -的总能量,正和电子, 和的是库仑校正, 在的推导出的戴维斯,贝特和Maximon [ 20 ] , 实证校正因子的介绍,以提高总一双生产截面在较低的能量和被定义为“最可靠的估计数总额截面可除以总截面造成一体化的均衡器。( 2.1.1 ) 与。对于超过50兆电子伏的能量是要采取团结,为能源低于50兆电子伏的总一双+三重截面由风暴和以色列[ 21 ]是使用。更换 考虑到三重生产工艺,在那里的,评价PEGS4功能XSIF ,给出了 在的定义是在均衡器。( 2.1.3 )和是辐射对数[ 22 ] , 职能,占屏蔽效应,给出了 其中q是动量转移和相应的原子形成的一个因素 原子与原子数卓对于托马斯一费米潜在格是独立的 的Z和屠夫和麦塞尔已逼近他们[ 23 ]为 6 PEGS4使用手册 该PEGS4系统已被修改很少使用EGSnrc虽然EGSnrc需要相当多的数据所提供的PEGS4比,这是直接通过阅读舱口常规(见图17日第105页)。大多数本条基本上是重印用户手册的PEGS4从斯坦福线性加速器中心- 265 。有一些补充PEGS4自1985年,这是总结在下一节。 除了这里所介绍的EGSnrcMP环境包括一个用户友好GUI的使用PEGS4 。见PIRS - 877 [ 11 ]的详细说明。 图37 :画面的环境商品和服务贵定运行PEGS4创造一个空气数据集。充填 这种形式是非常容易比创造一个输入文件,并进入密度效应更正非常简单。在GUI不允许任何价值,除非IUNRST=0 。详情见PIRS-877[11] 。 6.1一些新的文件 6.1.1一些额外输出--无限制截面 原始版本的PEGS4载有少数无证选择其中许多人利用了,所以现在记载这里。 基本上有一个额外的参数,IUNRST使各种制止权力的计算方法,而不仅仅是 阻止权力的限制时,通常计算IUNRST = 0 。投入的IUNRST是的一部分,对伊拉克核的人员名单输入(与去甲肾上腺素,声发射等)。基本上IUNRST 让您能以各种不同的停车权力,并允许该模型模拟各类CSDA计算。 IUNRST = 0 ,限制停车的权力:这是默认情况下是必要的 正常模拟。停止输出PEGS4权力是受限制的碰撞 和辐射制止权力。 IUNRST = 1 ,不受限制地碰撞阻止本领:这是非常有用的计算无限制的权力,阻止比较频繁出版价值。 IUNRST = 2 , CSDA一组数据:这会产生一组数据可以这样做的一种形式CSDA 计算。停止电力生产是unresticted共(碰撞+辐射)制止权力和距离分立电子相互作用是无限的(即他们永远不会发生)。仿真做这个数据集是一种CSDA 计算,与所有的韧能源交存当地。 IUNRST = 3 , CSDA计算brem互动:停止权力的总和,无限制碰撞阻止本 领加限制阻止本领和离散的相互作用距离只考虑到轫活动。 IUNRST = 4 , CSDA计算三角洲射线相互作用:停止权力是的总和限制科利森制止权力和不受限制地碰撞制止大国的距离,分立相互作用只考虑到了建立连锁电子或δ -射线。 IUNRST = 5 ,不受限制地辐射停止功率:这补充IUNRST =1 ,允许出版的辐射相比,制止大国。 IUNRST = 6 ,限制停车辐射功率:允许直接计算限制辐射制止权力。IUNRST = 7 ,限制碰撞阻止权力:允许直接计算限制碰撞阻止本领。 请注意,对于低价值的美联社(如0.010千电子伏)的限制停止辐射碰撞 权力是非常接近于零,因此,阻止权力IUNRST = 0已接近那些IUNRST = 7 。代码考试(见第3.13.3 ,第150页)将采取所产生的数据集PEGS4和打印 表格的横截面数据和/或阴谋这些相同的数据在用户友好单位。 6.1.2使用ICRU报告37制止碰撞的能量 对于非常精确剂量的工作往往是有利于利用碰撞停止权力所建议ICRU在其报 告中37 [ 50 ] 。此选项添加到PEGS4在1989年[ 68 ] 。基本上PEGS4使用户能够阅读文件,该文件包含一个任意密度效应的数据集(值)。该EGSnrc分布用品所需的数据集大量的资料,以此作为计算伯杰和策[66]为ICRU报告37(见$ HEN_HOUSE/pegs4/density_corrections )。 为了实施这一方案,加上EPSTFL = 1的INP的名单投入元素,补偿或MIXT 选项并执行PEGS4为: pegs4 input1 input2 在input1.pegs4inp包含了标准PEGS4输入文件( EPSTFL = 1 )和input2.density是文件的密度效应所需的数据。PEGS4验证中的数据 input2.density对应于相同的材料中所描述input1.pegs4inp ,特别是要求密度的比赛。如果您要创建一个数据集使用密度效应的数据为基础的石墨密度2.26 g/cm3 ,但真正的大量数据是1.70 g/cm3 ,您必须编辑文件和密度效应人为地改变,以符合密度容重您后,否则将PEGS4 停止。请注意,密度效应文件还提供了ICRU 37余价值的价值材料和PEGS4使用此,而不是其内部计算值。数据集创建的EPSTFL = 1和IUNRST = 1应符合碰撞停止权力ICRU报告37到底。 6.1.3使用ICRU报告37辐射制止能量 在1989年选择加入PEGS4 [ 52 ]它确保无限制辐射制止大国的计算PEGS4有相同计算伯杰策[ 66 ] ,并列入ICRU报告37 [ 50 ] 。这样做是扩大截面用于PEGS4 ,以确保这些制止大国的匹配。这作出了重大不同的轫截面低能。强烈建议此选项始终使用和已取得的默认值在PEGS4 。要恢复原来PEGS4价值观,输入输入IAPRIM = 0的伊拉克核方案的名单输入的元素,补偿或MIXT 选项。请注意,此更改不会产生同样的光子微分截面为计算特泽和伯杰[ 48 ] ,但此选项已添加到EGSnrc (见节3.4.2 ),并打开设置IBR技术研究院= 1 。 6.1.4 PEGS4中的错误