从零开始学习MCNPX(一)——能量沉积计数

F6计数​

MCNP代码中的F6和*F8计数都可以用于计算MCNP中的吸收剂量。F6计数是单元中单位质量的总能量沉积,以MeV/g(每粒子)为单位。

在核数据表可用的能量范围内,中子、光子和质子的能量沉积是使用核数据表中的中子加热数来确定的。这些加热数是每单位轨迹长度沉积的能量的估算值。此外,在MODE E或MODE H中还会添加电子和/或质子的de/dx电离贡献。

在超过该表格能量限制或没有可用的表格数据时,能量沉积是通过累加几个因素来确定的。对于带电粒子,电离(de/dx)能量均匀沉积在轨迹长度上(这在进行网格计数时很重要)。所有其他能量沉积都是在核相互作用时计算的。次级粒子的能量,如果它们不需要被跟踪(即不包括在MODE卡上),将沉积在相互作用点。核反冲能量将始终沉积在相互作用点。

为了获得尽可能准确的能量沉积计数,必须在MODE卡上包括所有可能的次级粒子。通常情况下,未跟踪次级粒子的能量沉积假定都在碰撞点附近沉积。例外情况是有些中性粒子(光子、中微子等)通常远离碰撞点。只有在MODE卡和F6卡上列出了这些次级粒子时,才会包括它们。当次级粒子的能量很高或用户正在模拟薄体积时,对于未跟踪次级粒子的局部能量沉积的假设是不准确的。当在MODE卡上指示次级粒子时,MCNPX将从其能量中减去它们的能量,能量沉积将由常规跟踪这些粒子的过程处理。

在没有库可用的情况下,de/dx、核反冲以及一些未跟踪次级粒子的能量被添加到F6碰撞估计器中。次级粒子可以通过碰撞或粒子衰变产生。在MCNPX中,中性粒子的能量永远不会添加到碰撞估计器中(包括中子、光子、中微子、π0和中性K介子等)。

具体来说,F6的计算方法如下:

在这里插入图片描述其中:

  • ρa是原子密度(atom/barn-cm)。
  • m是单元质量(克)。
  • H(E) 是加热数(MeV/碰撞)。
  • σt是微观总截面(barn)。
  • ψ(r, Ω, E, t)是从核反应堆理论中的常用角通量。ψ(r, Ω, E, t) = γn( rΩ, E, t),其中 n 是粒子密度(粒子/立方厘米/MeV/立体角弧度),γ是速度(厘米/sh)。因此,ψ的单位是粒子/平方厘米/sh/MeV/立体角弧度(1sh = 10(-8)秒)。

F8计数

假设一个源以10 MeV发射了100个光子,其中有十个到达了探测器单元。进一步假设第一个光子(及其在单元中创建的任何后代)在逃逸之前在探测器中沉积了1 keV,第二个光子沉积了2 keV,以此类推,直到第十个光子沉积了10 keV。然后,在探测器的脉冲高度测量中,1 keV能量分组中有一个脉冲,2 keV能量分组中有1个脉冲,依此类推,直到10 keV分组中有1个脉冲。

当粒子穿越一个表面时,粒子的能量乘以粒子的权重将从它离开的单元中减去,并加到它进入的单元中。能量是粒子的动能加上2mo·c2 = 1.022016(如果粒子是正电子的话)。

F8计数提供了辐射在探测器中产生的脉冲的能量分布。计数合并产生一个计数总和。在F8卡上的*号将计数从脉冲高度计数转换为能量沉积计数。在F8卡上+号将计数从脉冲高度计数转换为以电荷单位的电荷沉积计数。不建议在+F8计数中使用能量bin

在F8计数中,DXTRAN和次级粒子产生偏差是致命错误。如果没有能量bin,那么可以对能量脉冲高度计数(*F8)进行全面的方差减少。

使用FT8特殊计数处理卡,F8计数可以成为反符合光计数(FT8 PHL)或完全不同类型的计数。例如,FT8 CAP是中子符合俘获计数。

F8脉冲高度计数中的能量bin与所有其他计数的能量bin不同。它不是在计粒子的能量,而是计数在bin中沉积能量的脉冲数量。在选择脉冲高度计数的能量bin时必须小心。建议包括一个0 bin和一个小的epsilon bin,如下所示:

E8 0 1E-5 1E-3 1E-1

0 bin将捕捉到非模拟击中电子的负分数。epsilon(1E-5) bin将捕捉到穿过单元而没有沉积能量的粒子的分数

对于总截面和平均加热数,可以从各种截面数据库中获取。

*F8 计数是以MeV为单位的单元中的总能量沉积:
在这里插入图片描述
其中:

  • WC是脉冲高度计数一次事件的权重。
  • ED是探测器中一次事件中总的能量沉积。

通过将MeV除以单元内的质量,然后乘以1.602×10-8,将计算得到的值转换为Gy,以将单位从MeV g-1转换为J kg-1(Gy)。

粒子权重

简而言之,粒子权重是随着每个MCNP粒子一起传递的一个数字,代表该粒子对最终计数的相对贡献。它的大小是为了确保每当MCNP偏离精确的物理模拟时,期望的物理结果仍然保留在统计平均的意义上。

与MCNP中的其他计数器不同,脉冲高度计数依赖于一组粒子,而不仅仅是单个粒子。因此,对于每组计数粒子,都会分配一个权重。正是这个“集体权重”乘以F8计数器,而不是粒子权重。

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