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前 言EGS是英文 Electron-Gamma Shower 的缩写，它是一个利用蒙特卡罗方法模拟在任意几何中，能量从几个KeV到几个 TeV 的电子 光子簇射过程的通用程序包由美国 Stanford Linear Accelerator Center 提供EGS于 1979 年第一次公开发表，提供使用 EGS4是 1986 年发表的版本在 EGS4程序公布后的十多年当中，计算机速度的提高为模拟计算的广泛应用打下了坚实的基础因此，目前对 EGS4的使用方兴未艾，而国内在这个方面还处于起步阶段，在不远的将来，国内使用 EGS4程序的人员一定会越来越多在作者刚刚开始硕士论文工作时，首先应当学习的就是 EGS4程序的使用在那个时候，多么希望能够找到一本关于讲解 EGS4程序的书籍但是查到的资料都是英文的，而中文的聊聊无几，就是有，也是简单的介绍程序的特点和功能， 对于具体的使用和编程方面应当注意的一些问题并没有介绍 所以在经过了痛苦的安装、 学习编程和开始使用 EGS4计算的过程之后，作者萌发了写一本关于 EGS4程序使用的书尽管作者对于 EGS4的使用时间还不是很长，也尽管作者对 EGS4程序的内核了解并不是很多，但是对于初学者来说，相信本书将会成为他们入门的基础教程，可以避免一些不该走的弯路；就是对于 EGS4程序的熟练使用者来说，本书所论述的一些内容也可以作为参考，并程序他们工作的得力助手。

书中的内容都是经过作者本人和合作者的筛选，其中的程序都经过作者自己运行并调试成功之后奉献给读者的使用 EGS4程序计算的问题都是实际工作中所遇到的问题，并且有实际的工作背景限于作者的学科范畴，所举的例子都是关于辐射防护方面的，但是 EGS4程序的应用并不仅仅限于此，读者甚至可以利用其模拟计算的思想来开发适合自己的程序包，应用于自己的学科领域例如：模拟股票的走势等一块砖头可以用来盖房子，但是也可以用来垫脚，甚至可以用来打人这就需要读者开发自己的发散思维，更好地利用 EGS4应用到更广的领域之中其中部分内容是作者实际给初学者讲解时所用的讲解稿，从反馈回来的信息来看，基本上是成功的目前作者已经培训了很多学习 EGS4程序的人员， 其中部分人员还有自己的心得体会， 并利用 EGS4程序计算并解决了很多有意义的问题因此，作者相信本书一定能够成为一本为读者服务的好帮手就目前计算机发展的速度来看，蒙特卡罗方法会越来越成为一种主要的解决问题的方法，而 EGS4程序作为蒙特卡罗方法的一个主要模拟程序，其功能和准确性都是得到公认的，相信在未来的发展中， EGS4程序一定能够更好地为科技工作者服务 使用 EGS4程序进行模拟计算的人员也一定会越来越多。

随着 EGS4程序在放射性治疗等医学领域的广泛使用， 尤其是在精确定位治疗的方案设计方面的应用， 随着人们生活水平的提高和对自身健康的重视，在中国，辐射治疗物理师将会出现并且队伍会越来越大，目前美国在这方面的发展走在世界前列而且在其它有关辐射方面，模拟计算也会成为一种预测、设计和评估的主要方法所以，本书将作为一枚石子为这方面学科的发展铺路本书将从 EGS4程序的历史、现状、发展、使用、其它相关工具，以及实际的计算例子等方面向读者展示 EGS4程序的概貌管中窥豹，只见一斑限于作者的水平，本书不能是大全式的参考书，但是相信读者也会从其中获益匪浅本书除第八章中光中子问题模拟计算的作者是严慧勇， 以及加速器屏蔽大厅的模拟计算的作者是唐华平外， 其它部分的作者是石成玉本书所面对的读者群是从事蒙特卡罗模拟计算的学生、教师、科技工作者和关于辐射治疗、防护等方面的人员对于书中的不足和错误之处，望广大读者能够斧正，以便今后提供水平，更好地为大家服务，也希望能够与从事这些方面研究的人员进行广泛的合作和学术交流，让作者们共同为了这个学科的发展发一份光，放一份热作者： 石成玉2000 年 5 月 9 日于清华园内 容 提 要EGS4作为利用蒙特卡罗方法进行模拟计算的一个主要程序已经公布十多年了。

在这十多年中，有很多人为EGS4的发展贡献了自己的力量尤其是在辐射治疗方面的进展突飞猛进，对于精确定位治疗的模拟计算成为当今科技发展中一个热门的领域 伴随计算机速度的发展， 也同时由于网络的发展， 模拟计算成为解决问题的一种主要方法和手段出于想向国内的广大从事模拟计算的科技工作者们介绍 EGS4程序的目的， 也出于想让 EGS4的初学者少走弯路的目的，作者写了这本关于 EGS4介绍和应用的书籍本书从 EGS4的历史讲起，帮助读者度过安装、配置和初步学习编程方面可能面对的难关将读者带入一个熟练使用 EGS4程序的境界本书以朴实无华的语言，深入浅出地向读者介绍如何使用 EGS4程序，如何编写适合读者本身的程序和宏，以及如何处理计算的数据等方面内容本书面向的读者群为从事模拟计算方面的人员， 包括从事这方面工作的学生， 教师和科技工作者等 同时对于从事辐射防护计算、设计的读者也有一定的参考价值本书的作者在 EGS4程序的使用方面有较丰富的经验， 并利用 EGS4程序计算解决过实际工程中的问题 在参阅大量参考资料的基础上编写了这本书相信本书一定会成为读者有用的工具和得力帮手作者2000 年 5 月 9 日于清华园第一章 什么是 EGS4 EGS是英文 Electron-Gamma Shower 的缩写，即电子 ---- 光子簇射模拟。

它是一个用蒙特卡罗方法模拟在任意几何形状中，能量从几个 KeV到几个 TeV的电子 光子簇射过程的通用程序包由美国斯坦福直线加速器中心（ Stanford Linear Accelerator Center ）提供 EGS于 1978 年第一次公开发表，提供使用 EGS4是 1986 年发表的版本 EGS4读作 E、 G、 S、 Four ，也有将 EGS读作一个单词，再加上 Four 的情况之所以提到其读法，是因为考虑到进行学术交流时用语的规范那么， EGS4是怎样发展来的呢？1.1 EGS4 程序的历史1.1.1 EGS4 之前的历史在 1978 年， EGS代码系统作为一个包（ Package）正式发布了，一般将其称为 EGS3 EGS3是设计用于模拟在任何几何形状中，能量上限到几千 GeV，下限截止动能到 0.1MeV（光子）和 1MeV（电子）的粒子在电磁场中的联合输运过程的 EGS3公布之后获得了很大成功，并在许多关于电子光子在电磁场中联合输运的问题上获得很好的结果由于其代码公开，使用方便，使其在医疗物理和高能物理领域之内获得广泛的使用但是其本身也存在处理低能的限制——例如 1keV（光子）和 10keV（电子） 。

关于这一点在 EGS4程序中获得了改进在 EGS之前，已经存在了许多代码，其中具有代表性的是下列代码Messel and Crawford code ： 该码在 1958 到 1970 年使用，由澳大利亚开发，其特点是首次使用计算机进行高能蒙特卡罗模拟，并且发表了极好的结果，但代码不可获得Zerby and Moran code ： 该代码在 1962 年到 1963 年使用，是受 SLAC 的建造而由 ORNL 开发，在工程计算上极好地完成任务，但其代码在 ORNL 外并未发布Berger and Seltzer code ： 该代码从 1964 年一直使用到现在，由 NIST 开发，即 ETRAN 码它是极好的物理学和蒙特卡罗代码， 目前也可从得到用户界面友好的版本， 即 ITS 和 MCNP 在 1966 年之前对于粒子物理学界还不知道其存在Nagel code ： 在 1963 年到 1967 年使用，由波恩大学开发它是基于 Negal 的一篇博士论文，仅计算了圆柱几何体，而且材料仅限于铜和铅，但是可以很容易从 DESY 、 MIT 或 SLAC 得到，由 Negal 本人在大约 1966 年带到了 SLAC 。

SHOWER code ： 由 Negal 开发，并且成为了 EGS3 的种子代码，能量范围扩展到 0.1MeV 到几个 GeV，能模拟 100 种元素中任一种，包括化合物或混合物，其中 PEGS3 代码使得 EGS3 输入数据变得容易，它比 Negal 代码更能有效抽样，而且加入了几个新的程序在 Negal 60 年代中期开发的 SHOWER1的基础上， Nicoli 通过改进开发出 SHOWER2；在 1966 年到 1972 年， SLAC模拟计算组在 Nelson 的领导下， 将 SHOWER2改进为 PREPRO； 到了 1972 年， SHOWER3/PREPRO进入实用阶段； 1974年 Ford 和 Nelson 合作，把 SHOWER3/PREPRO和 SHOWER4/SHINP程序进行综合和改善，程序命名为EGS(Electron-Gamma-Shower)/PEGS(Preprocessor for EGS) ；此后 EGS不断更新，在 1982 年， SLAC 和 KEK进行了合作，而 NRCC的 Rogers 在使用 EGS3方面相当深入，并且为低能 Benchmarking （一种衡量计算机硬件及软件在给定配置下的运行性能的例程或程序）作出了很大的努力，以及在医疗物理应用、探测器响应、对电子步长的更新（ ESTEPE）和去除了低能方面的一些 bug 等方面的努力，因此在 1985 年由美国斯坦福直线加速器中心（ SLAC） 、日本高能物理国家实验室（ KEK）和加拿大国家研究所（ NRCC）联合推出了一套模拟电子和光子在物质中输运过程的通用蒙特卡罗计算程序系统 EGS4（ Electron-Gamma-Shower, Version 4） ，并在 1986 年发表。

EGS4是揭示电子和光子在物质中输运规律的有力而且方便的理论分析及模拟研究工具 由于其应用灵活性和通用性而被广泛应用于高能物理、低能物理和医学物理1.1.2 EGS4 公布之后的改进在 EGS4公布之后，基于蒙特卡罗方法的代码受到很大欢迎从 1983 年到 1988 年，论文数量增加了五倍，并且出版了很多关于蒙特卡罗方法的优秀图书，蒙特卡罗方法的代码被视为黑盒子 EGS4程序在其中起到了直接的作用 不但有很多硕士和博士论文是关于 EGS4的， 而且有许多关于 EGS4的专题讨论会和研究组 在医疗物理杂志（ Medical Physics Journal ）上，有六篇文章获得了奖励蒙特卡罗方法为什么能够受到大家的欢迎呢？可能的原因有：传统的分析方法受到了很大限制蒙特卡罗方法更直观，这一点尤其受到实验物理学家们的欢迎计算机变得更便宜和速度更快EGS4程序自公布之后，又不断进行了更新和改进主要包括：推出了多平台版本有面向 PC 版的，有 UNIX 版的，还有面向 IBM/VM 和 VAX/VMS 大型工作站版本的推出了更多的开关（ switch） ，可以通过控制开关来满足特定使用者的要求，并且允许用户在自己的程序中增加宏（ macros） 。

对 EGS4程序的增强主要在三个方面：对 EGS4 物理模型的修改： 为改善剂量精度， 改进了物理模型， 提供了一些特殊算法 （如 PRESTA， EDGSET等）和宏，并考虑了电磁场对正负电子的影响 PRESTA（ the Parameter Reduced electron-Step Transport Algorithm ）改善了电子路程的修正算法（ PLC ） 、侧面相关算法（ LCA ）和边界穿越算法（ BCA ） ，解决了电子步长和计算精度的矛盾， 在保持计算精度的情况下， 增大了电子步长， 提高了计算速度； EDGSET使 EGS4 考虑了物质 K 线和 L 线的荧光发射工具和技术的改进： 修正了截面数据库，并且为了提高计算精度，为 PEGS4 增加。