一种基于蒙特卡罗模拟的核电磁脉冲电流源项计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于蒙特卡罗模拟的核电磁脉冲电流源项计算方法，利用该方法可适用于更长时间尺度、大空间尺度、多种环境、非均匀介质等复杂情况下的核电磁脉冲电流源项计算，其主要实现步骤如下：1、根据核电磁脉冲实际的产生场景，构建蒙特卡罗粒子输运三维几何模型；2、在三维几何模型中设置脉冲伽马辐射源和脉冲中子辐射源位置、方向、能谱和时间谱参数，并设置记录点网格；3、分别应用蒙特卡罗方法模拟跟踪脉冲伽马和脉冲中子在三维几何模型中的输运过程；4、获取所有伽马对记录点网格中任意一个记录点处的伽马注量、普顿电子产生率以及康普顿电流密度；5、重复执行步骤4，获得所有记录点的核电磁脉冲电流源项的分布情况。

【技术实现步骤摘要】
一种基于蒙特卡罗模拟的核电磁脉冲电流源项计算方法
本专利技术属于核物理与电磁脉冲数值模拟
，涉及一种基于蒙特卡罗模拟的核电磁脉冲电流源项计算方法。
技术介绍
核辐射中的高能射线与大气、地面等介质相互作用形成直达与散射伽马和中子次级伽马，同时这些伽马射线与介质发生康普顿散射产生康普顿电子，康普顿电子定向运动形成康普顿电流(即电流源项)，从而激励核电磁脉冲。由于核电磁脉冲易对电子系统与电力系统造成电磁干扰与损伤，国内外各类研究机构广泛开展了核电磁脉冲数值模拟技术研究。例如CHAP、CHEMP、EMPulse、MCHII以及MAEMPI在内的核电磁脉冲环境模拟程序。这类数值模拟程序通常不考虑伽马射线在大气中的实际输运过程，并假定伽马源为各向同性的单能点源，采用解析公式近似得到直达伽马注量及其引起的康普顿电流空间分布，最后根据康普顿电流与大气电导率来求解麦克斯韦方程组得到核电磁脉冲。现有核电磁脉冲康普顿电流源项计算方法存在的主要问题有：一是不考虑粒子输运过程，忽略了散射伽马与中子次级伽马对电流源项的贡献，致使现有方法下较长时间尺度的计算结果不准确；二是忽略了脉冲伽马和脉冲中子源典型能谱分布对康普顿电流的影响；三是忽略了实际非均匀介质(如高空场景的非均匀大气、近地面场景的多种介质)对脉冲伽马和脉冲中子输运过程的影响。这些问题使得现有技术难以适用于长时间、大空间尺度、多种环境、非均匀介质等实际复杂情况下的核电磁脉冲环境计算。例如，对于近地面核电磁脉冲研究表明，只考虑瞬发伽马描述的电磁脉冲衰减很快，时间尺度远小于真实水平，必须要考虑散射伽马和中子次级伽马的作用。已有美国空军武器实验室利用拟合公式对辐射源项修正可以得到散射和中子次级伽马信息，但适用范围较为有限。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)采用粒子输运和电磁场计算耦合来模拟电磁脉冲环境(H.W.Kruger等人2012年发表的LLNL科技报告LLNL-JRNL-546911，“3DEffectsinGeomagneticEMPComputation”)。但其辐射源项只考虑了散射伽马，而未考虑中子次级伽马，且耦合的微观模型无法体现大量电子的集体效应，导致电导率计算误差较大。采用蒙特卡罗方法模拟脉冲中子与脉冲伽马射线在大气中的输运过程可以给出伽马辐射场参数，然后根据伽马参数利用理论公式计算得到康普顿电流信息，存在计算康普顿电流精度不高问题。为准确计算电磁脉冲电流源项，理论上需要伽马的能量-时间-角度联合谱，这对蒙特卡罗模拟的计算精度太高，通常在模拟计算中难以达到。即便忽略角度谱，只需要伽马的能量时间联合谱，一样致使蒙特卡罗方法计算结果存在收敛速度较慢、相对误差较大等问题，简单的增加粒子数、延长计算时间并不能有效解决问题。因此，本领域人员需要研发一种可以同时考虑直达伽马、散射伽马与中子次级伽马在内的多种伽马射线产生的康普顿电子，适用于长时间、大空间尺度和非均匀介质等复杂情况下的高效高精度核电磁脉冲电流源项计算方法，从而为实际场景的核电磁脉冲数值模拟计算提供电流源项参数。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种基于蒙特卡罗模拟的核电磁脉冲电流源项计算方法，利用该方法可以得到包括直达伽马、散射伽马与中子次级伽马在内的多种伽马射线产生的康普顿电子参数，进而得到康普顿电流源项。本专利技术提供的方法考虑了核电磁脉冲产生场景的辐射源能谱、非均匀介质、场景几何结构、多种伽马源等现有技术忽略的实际场景特征，并在伽马注量统计记录中同时给出康普顿电子参数，从而得到的康普顿电流源项参数更为全面、准确。本专利技术的具体技术解决方案如下：本专利技术提供一种基于蒙特卡罗模拟的核电磁脉冲电流源项计算方法,包括以下步骤：步骤1：根据核电磁脉冲实际的产生场景，构建蒙特卡罗粒子输运三维几何模型，所述三维几何模型包括组成实际场景的各种环境元素、每种环境元素的形状、大小、位置、密度以及每种环境元素的化学成分以及各化学成分在该环境元素中所占比例；此处所述的环境元素包括大气、土壤、建筑物等等；步骤2：在三维几何模型中设置脉冲伽马辐射源和脉冲中子辐射源位置、方向、能谱和时间谱参数，并设置记录点网格；步骤3：应用蒙特卡罗方法模拟分别跟踪脉冲伽马和脉冲中子在三维几何模型中的输运过程，从而获得直达伽马、散射伽马以及中子次级伽马的位置、方向、能量与时间信息；这一步中所描述的应用蒙特卡罗方法开展脉冲伽马辐射源与脉冲中子辐射源的在三维几何模型中的输运过程实际是通过统计分布规律抽样得到源粒子的能量、飞行方向、粒子是否与物质发生作用、作用位置、作用后的粒子能量与飞行方向等粒子的所有飞行过程；步骤4：根据步骤3所获得直达伽马、散射伽马以及中子次级伽马的位置、方向、能量与时间信息，利用指向概率法统计所有伽马对记录点网格中任意一个记录点处伽马注量；步骤5：在步骤4获取的伽马注量中，利用康普顿散射理论统计得到所有伽马对记录点网格中任意一个记录点处康普顿电子产生率；步骤6：然后利用Klein-Nishina理论公式，得到所有伽马对记录点网格中任意一个记录点处形成的康普顿电流密度，初始康普顿电流密度即为该记录点的核电磁脉冲电流源项；步骤7：重复执行步骤4-6，从而获得记录点网格中所有记录点的核电磁脉冲电流源项的分布情况。进一步地，上述步骤4中采用指向概率法统计所有伽马对记录点网格中任意一个记录点处伽马注量的具体求解公式为：其中，φγ为记录点处的伽马注量，i表示第i个伽马粒子，n为伽马粒子总数，Fγi为第i个伽马粒子对于记录点处伽马注量的贡献，wi为第i个伽马粒子的权重，Ri为第i个伽马粒子到记录点的距离，Ωi为第i个伽马粒子指向记录点位置方向的立体角，pi(Ωi)为第i个伽马粒子指向记录点位置方向单位立体角的概率，为第i个伽马粒子抵达记录点而不发生碰撞的概率，λti为伽马粒子到记录点的平均自由程个数。进一步地，上述步骤5利用康普顿散射理论统计得到所有伽马对记录点网格中任意一个记录点处康普顿电子产生率的具体求解公式为：其中，Ge为记录点处康普顿电子产生率，Fei为第i个伽马粒子对于康普顿电子产生率的贡献，为第i个伽马粒子经过单位长度与介质发生康普顿散射的概率，其中λci(Eγi)为康普顿散射的平均自由程，Eγi为第i个伽马粒子的能量。康普顿散射截面与角分布服从Klein-Nishina理论公式。根据Klein-Nishina公式，激励核电磁脉冲的伽马射线能量越高，产生的反冲康普顿电子前向性越明显。按照概率论规则，取康普顿电子方向为入射伽马射线方向，康普顿电子能量为平均能量。同样取康普顿电子形成的初始康普顿电流方向为入射伽马射线方向，大小为该方向上康普顿电流大小的平均。进一步地，上述步骤6中所有伽马对记录点网格中任意一个记录点处形成的康普顿电流密度具体计算公式如下：其中，Je为记录点处康普顿电子产生率，Fji为第i个伽马粒子对于康普顿电流密度的贡献，其中为第i个伽本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于蒙特卡罗模拟的核电磁脉冲电流源项计算方法,其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：根据核电磁脉冲实际的产生场景，构建蒙特卡罗粒子输运三维几何模型，所述三维几何模型包括组成实际场景的各种环境元素、每种环境元素的形状、大小、位置、密度以及每种环境元素的化学成分以及各化学成分在该环境元素中所占比例；/n步骤2：在三维几何模型中设置脉冲伽马辐射源和脉冲中子辐射源位置、方向、能谱和时间谱参数，并设置记录点网格；/n步骤3：分别应用蒙特卡罗方法模拟跟踪脉冲伽马和脉冲中子在三维几何模型中的输运过程，从而获得直达伽马、散射伽马以及中子次级伽马的位置、方向、能量与时间信息；/n步骤4：根据步骤3所获得直达伽马、散射伽马以及中子次级伽马的位置、方向、能量与时间信息，利用指向概率法统计所有伽马对记录点网格中任意一个记录点处伽马注量；/n步骤5：利用步骤4获取的伽马注量，利用康普顿散射理论统计得到所有伽马对记录点网格中任意一个记录点处康普顿电子产生率；/n步骤6：然后利用Klein-Nishina理论公式，得到所有伽马对记录点网格中任意一个记录点处形成的康普顿电流密度，初始康普顿电流密度即为该记录点的核电磁脉冲电流源项；/n步骤7：重复执行步骤4-6，从而获得记录点网格中所有记录点的核电磁脉冲电流源项的分布情况。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于蒙特卡罗模拟的核电磁脉冲电流源项计算方法,其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据核电磁脉冲实际的产生场景，构建蒙特卡罗粒子输运三维几何模型，所述三维几何模型包括组成实际场景的各种环境元素、每种环境元素的形状、大小、位置、密度以及每种环境元素的化学成分以及各化学成分在该环境元素中所占比例；
步骤2：在三维几何模型中设置脉冲伽马辐射源和脉冲中子辐射源位置、方向、能谱和时间谱参数，并设置记录点网格；
步骤3：分别应用蒙特卡罗方法模拟跟踪脉冲伽马和脉冲中子在三维几何模型中的输运过程，从而获得直达伽马、散射伽马以及中子次级伽马的位置、方向、能量与时间信息；
步骤4：根据步骤3所获得直达伽马、散射伽马以及中子次级伽马的位置、方向、能量与时间信息，利用指向概率法统计所有伽马对记录点网格中任意一个记录点处伽马注量；
步骤5：利用步骤4获取的伽马注量，利用康普顿散射理论统计得到所有伽马对记录点网格中任意一个记录点处康普顿电子产生率；
步骤6：然后利用Klein-Nishina理论公式，得到所有伽马对记录点网格中任意一个记录点处形成的康普顿电流密度，初始康普顿电流密度即为该记录点的核电磁脉冲电流源项；
步骤7：重复执行步骤4-6，从而获得记录点网格中所有记录点的核电磁脉冲电流源项的分布情况。


2.根据权利要求1所述的基于蒙特卡罗模拟的核电磁脉冲电流源项计算方法,其特征在于：所述步骤4中采用指向概率法统计所有伽马对记录点网格...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘利，朱金辉，李桠，左应红，牛胜利，
申请(专利权)人：西北核技术研究院，
类型：发明
国别省市：陕西;61