中子谱仪屏蔽计算中多重减方差技术整合应用的研究

The neutron spctrometer is an ideal tool for scattering experiments in the research fields of material science, nanoscience, condensed matter physics and so on. The shielding design of neutron spctrometers often rely on Monte Carlo calculation due to their complicated structure. In these calculations, the key issue is to overcome the low effiency and high variance caused by deep penetration problem. This work is to study the integrated application of multiple variance reduction technique in neutron spectrometers shielding calculation. First, a cross check between the two Monte Carlo codes FLUKA and MCNPX will be performed on physical model, nuclear data and activation calculation. Then, according to the characters of the structure and source term of neutron spctrometer, a FLUKA user routine that have constraint function will be developed to ebable integrated application of multiple variance reduction techniques like source biasing, geometry importance and weight cut off. In order to validate the feasibility of our method, shielding calculation for an exising neutron spectrometer will be performed. This research has practical significance on providing reliable and efficient shielding calculation method for neutron spectrometer.

中子谱仪是当前材料科学、纳米科学、凝聚态物理等众多领域进行中子散射实验的理想工具。中子谱仪结构复杂，其屏蔽设计往往依赖蒙特卡罗计算。这类计算的关键在于如何克服粒子长输运导致的计算效率低、计算误差大的问题。本项目拟开展基于多重减方差技术的中子谱仪屏蔽计算方法的研究工作。首先将针对高能物理模型、低能数据库、活化等中子屏蔽计算基本问题，进行蒙特卡罗模拟程序FLUKA与MCNPX间的交叉检验计算。然后针对束流装置的结构及辐射源项特点，开发以粒子几何区域、能量、权重为变量的约束函数，平衡不同减方差技术参数设置的FLUKA子程序，从而建立整合应用源偏置、几何重要性、粒子权重截断等多重减方差技术的屏蔽计算方法。最后应用所建立的计算方法对现有的中子谱仪进行屏蔽计算，验证可行性。通过以上研究工作得到具有实际应用意义的、高效可靠的中子谱仪屏蔽计算方法。

中子谱仪装置为我国发展中子散射技术提供了强大的科学平台，是当前材料科学、纳米科学、凝聚态物理等众多科学领域进行中子散射实验的理想工具。这类大型核装置的辐射屏蔽设计往往要依赖于蒙特卡罗计算，而计算的关键之一是如何克服粒子深输运导致的计算效率低、计算误差大的问题。因此，高效率屏蔽计算方法的研究具有重要的科学价值与应用前景。本项目针对大型中子谱仪装置的屏蔽计算，开展了多重减方差技术整合应用的研究工作。主要取得了如下研究成果：（1）对不同蒙特卡罗程序所使用的高能物理模型、低能数据库进行了验证，评估了其对中子谱仪屏蔽计算的影响。（2）根据中子束流装置的结构及辐射源项特点，整合应用源能量偏置、源出射角度偏置、几何重要性、粒子权重窗等多种减方差技术，开发了相应的FLUKA用户子程序，建立了高效的屏蔽计算方法。（3）应用所建立的高效屏蔽计算方法对我国散裂中子源中子谱仪进行了屏蔽设计，对比FLUKA和MCNPX两种程序的计算结果，为谱仪建造给出了可靠的的屏蔽设计参数，体现了本项目研究较好的实际应用价值和意义。课题组发表了4篇SCI论文，出版专著一部，承担并完成了中国散裂中子源多物理谱仪的屏蔽设计与优化工作。