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MCNP3B教程

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MCNP 3B 实用教程

1. 定义通用源卡的源变量有哪些,各有什么作用。 2. 对源粒子需要确定哪些参量,它们和SDEF卡的源变量有怎样的对应关系。

3. 何时需要SI卡,SI和SP卡各种选项的意义是什么,两者数据项有怎样的对应关系。

4. 使用SB卡描述的概率分布与SP卡描述的分布意义有何不同。

5. 常用的SP卡内部函数有哪些,MCNP怎样给RAD和DIR指定带缺省值的内部函数。

6. 相关源分布SD卡有什么作用。

F2:N或F2:P 穿过界面的平均通量 F4:N或F4:P 栅元的平均通量 F5a:N或F5a:P 点或环探测器上通量 F6:N或F6:N,P 栅元上平均沉积能量 或F6:P 粒子数/cm 2粒子数/cm 2粒子数/cm MeV/g 2MeV/cm2 MeV/cm2 MeV/cm2 Jerk/g

N. 习题

1. C/O测井仪器发射14MeV的脉冲中子,发射时间宽度是10?s。考虑到探测器到中子源的距离与源本身的尺寸相比很大,可以认为是点源。请给出这种仪器中源的描述。

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2. 三相流测井仪中使用Cd放射源,发射22keV和88keV光子,两种能量光子的强度比是4:1。实际仪器中源的活性面直径4mm,由于背面有源衬,可以近似地认为它是单向源。请给出这种源的描述。

§4.4 记数方式的指定

记数是MCNP模拟结果的记录。用户若想得到某种模拟结果信息,如某些位置处粒子的面流量、点通量等,可用下列记数卡的相应组合来指定记数方式,其中Fna卡是必须有的,其它记数卡供选择使用。

助记名 卡片类型 节内编号 A Fna 记数类型 B FCn 记数注释 C En 记数能量 D Tn 记数时间 E Cn 记数余弦 F EMn 记数能量乘子 G TMn 记数时间乘子 H CMn 记数余弦乘子 I DEn/DFn 剂量能量/剂量函数 J CFn 记数栅元标志 K SFn 记数界面标志 L FSn 记数片段划分 M SDn 记数片段的体积/面积 N FQn 记数打印层次 O TFn 记数涨落打印 P DD 探测器和DXTRAN诊断指定 Q DXT DXTRAN的参量 R FTn 记数特殊处理 n是用户选择的记数号,可取1~999,末位有特殊含义。同一个记数的描述卡使用相同的n值。

以上卡片中的大部分是用来描述记数箱的,所谓记数箱(tally bin)就是由记数空间(如余弦、能量、时间等)分割成的相邻区间。如果用户把记数分成一些箱,MCNP除给出箱内结果外,一般还给出各箱记数之和,如各种能量记数的总和。如果用户不给出箱边界,则使用无边界的箱。

记数都被归一化成对应一个源粒子。

MCNP对每个箱记数和总记数都给出相应于标准差的相对误差。误差大于50%的结果不能使用,误差在50%~20%之间的结果的实际误差可能是几倍,误差在20%~10%之间的结果仍是不可靠的,误差小于10%的结果一般是可靠的(并非总是可靠的),对探测器记数一般要求误差在5%以内。只要记数的FOM随着样本数的变化仍不稳定,结果便是不可靠的。

A. Fna 记数卡 (Fna Tally Card)

常用的MCNP标准记数如下表所示。

助记名 F1:N或F1:P 类型说明 穿过界面的积分流量 Fn单位 粒子数 *Fn单位 MeV MCNP通过记数号和粒子类型来识别记数的类型。记数号的末位用于区别记数类型,如F4:N、F14:N、F104:N和F234:N都是对栅元的中子通量记数,甚至可能都是对相同栅元记数,比如说它们有不同的箱或乘子。用户可以按自己的需要指定多个类型的记数(记数总数要小于100、探测器总数要小于20),使它们每个具有不同的箱或标志。注意相同记数号的Fn:N和Fn:P卡不能同时出现。

记数类型1、2、4、5通常记录粒子数,然而如果在Fn卡前加*号,则记录能量与权重之积。记数类型6前也可以加*号,记数量的单位将由MeV/g变成Jerk,1Jerk = 109J。

a. 曲面和栅元记数(记数类型1,2,4,6)

简单格式: Fn:P1 S1 ... Sk

一般格式: Fn:P1 S1 (S2 ... S3) (S4 ... S5) S6 S7 ...

n: 记数号 P1: N或P或N,P

Si: 用于记数的问题曲面号或栅元号或T

按上面的简单格式,MCNP对所要求的记数建立k个曲面或栅元的箱,分别对每个曲面或栅元列出结果。按一般格式,对分别列出的每个曲面或栅元以及用括号括起来的曲面或栅元的集合各建立一个箱。括号内部的项也可以单独出现或在其它集合中出现。括号表示对其内那些项的集合作记数。对不做平均的记数(记数类型1),集合的记数表示集合内各项的记数之和;对平均记数(记数类型2、4和6),集合的记数则是集合内各项记数的平均结果。符号T表示卡上所有数据项的合集。

如果曲面或栅元的记数标记多于11个字符(含空格),为打印方便,MCNP将为其指定一个字母或数字标识符,这个标识符[如,若G表示(1 2 3 4 5 6)]将随记数结果一起打印。

用于记数的曲面必须是构成实际几何(栅元)的界面,在界面的哪一边记数由坐向指定。F2记数要求界面面积,MCNP所计算的面积是可能作为多个非真空栅元边界的曲面的总面积,而不是包围特定栅元的一部分面积。如果MCNP不能计算某种曲面的面积,或需要一个曲面的片段,可以用FSn卡将曲面分段,并用SDn卡输入适当的值。作为解决问题的另一种方法,可以重新定义几何构造。

b. 探测器记数(记数类型5)

点探测器格式: Fn:P1 x y z ?R0

n: 记数号 P1: N或P

x y z: 探测点的位置

?R0: 探测点处邻域球半径,+R0以cm为单位,

-R0以平均自由程为单位(空腔区不能用-R0)

环探测器格式: Fna:P1 a0 r ?R0

n: 记数号

a: X、Y或Z,对称轴 P1: N或P

a0: 环平面在相应对称轴上的截距(cm) r: 环半径(cm)

?R0: 与点探测器相同,但此时的邻域球心选在

环上的一点

缺省值: R0=0

若想用同一记数号n或na指定多个探测器,把上述参

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数组在同一张Fn卡上接续地给出即可。如果相同类型的多个探测器(如F5:N和F15:N)在同一位置上,计算碰撞点对探测器的贡献时只花一份时间,并不额外增加机时的开销。

探测器记数通常分两部分:1)对探测器的总贡献;2)源粒子对探测器的直接(或无碰撞)贡献。直接贡献总是包含在总贡献之内的,如果在探测器记数卡的末尾加上ND,对那个记录不打印直接贡献。

选择R0的经验法则是:R0应是球内粒子平均能量的约1/8~1/2倍平均自由程。如果探测点位于空腔中,R0取0。不推荐用平均自由程的方法给R0,它会增大方差。邻域球内不应包含多种材料。

用户使用探测器时,应对其物理内容有所了解,如果使用不当,会得到不可靠的结果:经过0重要性区域的贡献将不被探测器记录。在具有轴对称性的问题中应当使用环探测器而不是点探测器。若探测器的位置正好在曲面上则可能引起麻烦。在具有S(?,?)热处理的问题中虽可以使用探测器,但不记录S(?,?)的贡献。可以考虑使用PDn和DDn卡。

B. FCn 记数注释卡 (Tally Comment Card)

格式: FCn 任何信息

此卡6~80列内容将作为Fn记数的标题输出。

C. En 记数能量卡 (Tally Energy Card) D. Tn 记数时间卡 (Tally Time Card)

E. Cn 记数余弦卡(只用于记数类型1) (Cosine Card)

格式: En E1 ... Ek

n: 记数号

Ei: 第i个能量箱的上限(MeV)

格式: Tn T1 ... Tk

n: 记数号

Ti: 第i个时间箱的上限(shake)

格式: Cn C1 ... Ck

n: 记数号 (只用于记数类型1)

Ci: 第i个余弦箱的上限, C1>-1, Ck=1

这三种卡都用于描述记数箱的边界,卡上参数必须按递增顺序给出。缺省时,整个记数范围将是一个箱,除非使用0号卡(E0、T0或C0)对没有给出箱边界卡的记数建立缺省的箱结构。

如没在En卡或Tn卡的末尾加上NT字符,所有指定箱记数的总和也被输出。只有在Cn卡的末尾加上T字符,所有指定余弦箱记数的总和才被输出。

余弦卡仅用于界面流量型记数,定义极角箱边界的余弦值。极角的参考方向是曲面的正法线方向。

F. EMn 能量乘子卡 (Energy Multiplier Card) G. TMn 时间乘子卡 (Time Multiplier Card) H. CMn 余弦乘子卡 (Cosine Multiplier Card)

格式: EMn M1 ... Mk 格式: TMn M1 ... Mk 格式: CMn M1 ... Mk

n: 记数号

Mi: 用于第i个箱的乘子

使用这些卡分别给En、Tn或Cn卡规定的箱内记数乘上相应的乘子Mi,相当于通过一个相应函数修改常规的流量、通量等记数。

可以用EM0、TM0或CM0卡指定缺省的乘子表。

I. DEn 剂量能量卡 (Dose Energy Card) DFn 剂量函数卡 (Dose Function Card)

格式: DEn A E1 ... Ek DFn A F1 ... Fk

n: 记数号

Ei: 第i个能量 (MeV) Fi: 第i个能量的函数值

A: 取LOG或LIN插值方法(缺省为LOG)

用户可以使用DEn和DFn卡填写与能量相关的函数来修改常规记数,主要用于F6型记数的剂量计算。这两个卡必须有对应的数据项,对能量点之间的函数用对数或线性插值给出,如果粒子能量超出DEn卡指定的范围,则使用此卡最低或最高能量。可以使用DE0和DF0卡作为缺省卡。

J. CFn 栅元标记卡 (Cell-Flagging Card) K. SFn 曲面标记卡 (Surface-Flagging Card)

格式: CFn C1 ... Ck 格式: SFn S1 ... Sk

n: 记数号

Ci: 栅元号, 这个栅元对记数的贡献将被标记 Si: 曲面号, 这个曲面对记数的贡献将被标记 当粒子离开某些栅元或曲面时,可以对它们进行标记。打上标记的轨迹对记数的贡献,除纳入正常记数外,还将被分别列出,这是确定通过某些位置的粒子轨迹有多大贡献的一种做法。CFn和SFn可以同时使用,但只给出1份带标记的记录。

对探测器记数不能使用带标记的栅元或曲面。

L. FSn 分段记数卡 (Tally Segment Card)

格式: FSn S1 ... Sk

n: 记数号

Si: 带符号的曲面号

此卡允许用户用曲面Si(i=1, 2, ... , k)把一个栅元或曲面分成k+1个段分别记数,如果FSn卡末尾加上T则还给出总记数。曲面Si不必是实际几何的构成部分。例如, Fn:N S(或C) FSn S1 ... Sk

表示在曲面S(或栅元C)上的记数按几何位置被分割成以下几个箱:

(1) 被S1划分且由S1坐向指向的部分,

(2) 被S2划分且由S2坐向指向的部分,上一段除外, ... ...

(k) 被Sk划分且由Sk坐向指向的部分,但其它段已记录过的除外,

(k+1) 所有其余部分,

(k+2) 如果在FSn卡上填写了T,将给出整个曲面S(或栅元C)上的记数。

对于探测器(记数类型5)不能使用此卡。

M. SDn 分段除数卡 (Segment Divisor Card)

格式: SDn (D11 D12 ... D1m) ... (Dk1 Dk2 ... Dkm)

n: 记数号

Dij: 第i个曲面或栅元的第j段的面积、体积或质量

k – Fn卡上的栅元或曲面个数,包括T(如存在) m – FSn卡上的分割箱数,包括剩余部分,如 有T还包括总的部分。括号是可选的

用户可以使用此卡指定MCNP不能自动计算的分段栅元的体积或曲面的面积。对记数类型2、4和6,此卡数据项分别是面积、体积和质量。若FSn不存在,或者对于记数类型1,用户也可以采用此卡给记数设置希望的除数。

SD卡使VOL和AREA卡无效。

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N. FQn 打印层次卡 (Print Hierarchy Card)

格式: FQn a1 ... ak

n: 记数号

ai: F – 栅元, 曲面或探测器 D – 直接或带标记 S – 分片段 M – 乘子 C – 余弦 E – 能量 T – 时间

缺省时,按上述次序打印。如果只指定一些字母,相当于把它们放在最后,其它按缺省排序。可以用FQ0改变缺省次序。

O. TFn 记数涨落卡 (Tally Fluctuation Card)

格式: TFn L1 ... Lk

n: 记数号

Li: 箱类型i的箱号, 1?i?总箱号

MCNP输出文件的末尾有显示每个记数涨落情况的简表,按运行粒子数打印记数平均值、相对误差和FOM。TFn卡用于指定记数n中哪一个箱的涨落表被打印,当一个或几个箱比缺省箱更重要时可使用此卡。

如果不使用TFn卡,记数n的涨落表按缺省记数箱打印:1)在Fn卡上指定的第一个栅元、曲面或探测器,2) 总通量而不是带标记的通量或无碰撞通量,3) 最后的用户记数箱,4) 最后的记数分段箱,5) 最后的记数余弦箱,6) 最后的记数能量箱,7) 最后的记数时间箱。

P. DDn 探测器诊断卡 (Detector Diagnostics Card)

格式: DDn k1 m1 ... kk mk

n: =空白或0,此卡作缺省处理用 =1,用于中子的DXTRAN球 =2,用于光子的DXTRAN球 =特定探测器记数号

ki: 用于判断是否使用轮盘赌

mi: 用于控制对大贡献记数的诊断输出

缺省值:如果在DDn卡上不指定ki,就使用DD卡上的ki。如果DD卡上不指定ki,就使用DD卡上的k1。如果连k1都不指定,就认为k1=0.1。缺省mi的次序同ki,只是相应k1=0.1时取mi =1000。

此卡有两方面用途:1) 使用轮盘赌,限制比前面对探测器或DXTRAN球的平均历史贡献的某个k份额还小的那些贡献,有效地加快计算。2) 可以提供大贡献来源的信息,或在紧靠探测器或DXTRAN球处缺乏足够碰撞次数的信息。提供的有关大贡献来源的信息对设置栅元重要性或源偏倚参数是有用的。

对探测器或DXTRAN球,轮盘赌判断处理如下: 1) 如果ki>0,计算前200个历史对探测器或DXTRAN球的所有贡献,然后取平均(在问题的整个计算中将不断改变此贡献)。从201个历史开始,每个历史对DXTRAN球或探测器的贡献只要大于ki倍平均贡献,将不实施轮盘赌,否则实施轮盘赌。ki必须小于1。

2) 如果ki<0,从第一个历史开始便考虑轮盘赌,直接记录贡献大于|ki|的历史,当历史贡献小于|ki|时启动轮盘赌。

3) ki=0,对探测器或DXTRAN球不做轮盘赌。非零缺省值0.1意味着总做轮盘赌。或许ki=0.5对多数问题是合适的。

第二项mi确定对大贡献打印诊断的情况。如果mi=0,没有打印。如果mi>0,有两种可能情况:

1) 若ki?0,则对前200个历史没有诊断打印。从第201个历史开始,打印贡献超过mi倍每个历史的平均记数的前100个信息。

2) 若ki<0,打印贡献超过mi|ki|的前100个信息。 DD卡可以减少DXTRAN粒子和探测器伪粒子。轮盘赌不考虑粒子时间或能量,因此,对最终记数小的时间箱和能量箱由于轮盘赌可能会丢失不适量的记数份额。

Q. DXT DXTRAN卡

格式: DXT:n x1 y1 z1 RI1 RO1 x2 y2 z2 RI2 RO2

... DWC1 WDC2 DPWT

n: N表示中子, P表示光子 xi yi zi: 第i对DXTRAN球中心 RIi: 第i个内球半径, 单位cm ROi: 第i个外球半径, 单位cm DWC1: 球内截断权上限, 缺省为零 DWC2: 球内截断权下限, 缺省为零

DPWT: 最小光子权, 仅在DXT:N上输入, 缺省为零 此卡用于改善记数区域附近的粒子抽样,不应当把它理解为象探测器一样的记数,它只是作为减小方差的一种技巧和记数配合使用。DXTRAN球必须不重叠。

当DXTRAN球内几何简单时,这个技巧很有效。如果球内很复杂,含有几个曲面,使用DXTRAN技术反而会浪费机时。内球应包围感兴趣区。外球包围可能发射粒子到感兴趣区的相邻区。MCNP给这两个区以5:1的重要性,即从外球区进入内球区的粒子将一分五裂。选择RI和RO的经验法则是:内半径RI应至少有记数区那么大,RO-RI应大约是球上粒子平均能量的一个自由程。

每张DXT卡上可放五组x、y、z、RI和RO,但对每个粒子类型仅有一组DWC1和DWC2。这对权截断值适用于外半径内的伪粒子轨迹,其缺省值为零,并且和CUT卡上的权截断有完全相同的功能。如果不使用简单的光子物理处理方案(MCG),DXTRAN光子权重截断是不起作用的,一个例外情况是,当光子离开这个球时,不论使用哪种物理方案(MCG或MCP),都对照CUT:P卡上的截断权值检查轨迹。

在DXT:N卡上的最小光子权DPWT几乎完全等价于PWT卡上的最小光子权,差别仅在于DXTRAN球内产生光子在做轮盘赌时不使用当前栅元与源粒子栅元重要性比值,因此用户必须对DXTRAN球内假粒子的权分布有一定的了解(如用DD卡做短试算),以便有根据地指定DPWT。和PWT一样,其值为负将使最小光子权重依赖于源粒子的初始权重。DPWT的缺省值是零,表示DXTRAN球内光子截面不为零的材料中每次碰撞都产生光子。

S(?,?)热碰撞对DXTRAN球不做贡献。如果问题中有多组DXTRAN球,它们可能彼此串通,即一组球中的假粒子可能会对其它球有贡献。对第二组球的贡献通常是很小的,但粒子数很多,这将导致机时大量增加。这种情况下,常需要使用DD卡对DXTRAN球内的低权粒子做轮盘赌。

R. FTn 记数特殊处理卡

格式: FTn ID1 P1,1 P1,2 ... ID2 P2,1 P2,2 ...

n: 记数号

IDi: 特殊处理的关键词,允许为:

FRV – 记数1余弦箱的固定的任意参照方向 GEB – 高斯能量增宽 TMC – 时间卷积

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SCX – 标识指定源分布的抽样指标 Pi,j: 特殊处理的参数

此卡的数据项指定记数n的一个以上的特殊处理。对每个IDi,Pi,j的句法和意义不同。除SCX外,对已给记数可以指定一个以上的特殊处理。特殊处理允许的参数是:

FRV x y z

x y z是矢量V的三个分量,不必归一。对记数类型1,如果FRV特殊处理有效,便使用V代替曲面法线方向作为余弦的参照方向。

GEB a b

规定物理辐射探测器中观察到的能量增宽FWNM,FWNM=a+b?(粒子能量)1/2,a的单位是MeV,b的单位是MeV1/2。实际上从具有FWNM的高斯分布抽样记数能量。

TMC a b

所有粒子都应当在零时间开始。产生的记数象记录在时间a开始在时间b结束的实际矩形脉冲源一样。

SCX k m

第一个参数k是一个源分布号,是出现在SIk卡上的k。第二个参数m是源分布k中的箱数。对记数n建立m+1个用户箱,对应源分布的每个箱和一个总箱。根据源粒子来源于分布箱k的哪个箱来记录n号记数,总箱记录没有特殊处理的n号记数。

S. 例题

例1: F2:N 1 3 6 T

这个卡指定4个中子通量记数,分别是穿过曲面1、3、6的通量和穿过这三个面的平均通量。

例2: F1:P (1 2) (3 4 5) 6

这个卡指定3个光子流量记录,分别是对曲面1和2集合的记数,曲面3、4、5集合的记数,以及曲面6的记数。

例3: F371:N (1 2 3) (1 4) T

这个卡指定3个中子流量记数,分别是对曲面1、2、3集合的记数,曲面1、4集合的记数,和曲面1、2、3、4集合的记数。注意,使用T标记时,前面重复出现的曲面1仅被包括一次。

例4: E11 0.1 1 20

此卡把F11流量记数分成4个箱,三个箱的能量范围是0~0.1、0.1~1和1~20MeV,另一个是0~20MeV。

例5: T2 -1 1 1.0E+37 NT

此卡把面通量记数分成三个时间箱: -?~-1、-1~1和1~1.0E37shake。无总箱。

例6: C1 -.868 -.5 0. .5 .868 1

此卡指定在6个极角范围内记录粒子流量: 180? ~ 150? ~ 120? ~ 90? ~60? ~ 30? ~ 0?。不提供总和记数。

例7: F2:N 1 FS2 -3 4

这个例子把曲面1分成三部分,并计算穿过每一部分的中子通量。分割方式如下:(1) 曲面1上相对于曲面3具有负坐向的部分,(2) 曲面1上相对于曲面4和曲面3都具有正坐向的部分,(3) 其余部分。

例8: DXT:N x1 y1 z1 RI1 RO1 x2 y2 z2 RI2 RO2 x3 y3 z3 RI3 RO3

DXT:P x4 y4 z4 RI4 RO4 F15X:P a1 r1 R1 a2 r2 R2

DD .2 100 .15 2000

DD1 -1.1E25 3000 J J J 300 DD15 .4 10

此例中定义了三个中子和一个光子DXTRAN球,以及两个对称轴为X轴的环探测器。用DD卡定义了一些轮盘赌启动判据k和打印诊断判据m:

k m 探测器/球

-1.1E25 3000 球1

.15 2000 球2

.2 3000 球3

.2 100 球4

.4 10 探测器1

.15 2000 探测器2

T. 思考题

1. 什么是记数,记数种类有哪些,各有什么物理意义。填写记数卡片时如何区别记数类型,如何在希望的栅元或曲面上记数。

2. 什么是记数箱,它有什么作用。有哪几种记数箱,相关的记数卡是什么,各起什么作用。

3. 如何对曲面或栅元进行分段记数。 4. 剂量能量/剂量函数卡有什么作用。

5. 涉及探测器记数的卡都有哪些,各有什么作用。 6. 使用DXTRAN球时应注意哪些事项。 7. 探测器诊断卡DD的主要作用有哪些。 8. 如何安排记数打印次序。

U. 习题

1. 假定?-?套管厚度-水泥环密度测井仪的近探测器是一个直径2cm、长4cm的柱状栅元,栅元中心位于(0,0,20cm),对称轴是Z轴。请在栅元外柱面上记录0.5~0.8MeV能量的光子面流量。考虑如何只记录与Z轴夹角130?~140?方向来的光子。

2. 脉冲中子伽马能谱测井测量能量0~8MeV的光子,一般使用256道能谱。记录能谱的时间分别是中子脉冲前沿之后的0~10?s以及15~45?s。请定义相应的能量箱和时间箱。考虑如何模拟HpGe探测器的2keV能量展宽以及使用探测效率刻度曲线。 3. 请定义一个位于(0,0,25.4cm)、半径1cm、以Z轴为对称轴的环探测器,探测器位于空腔之内。假设用它模拟双发双收中子寿命测井仪的近探测器,请在此基础上定义门宽10?s的250路时间定标器。

4. 三相流测井或流体密度测井的NaI探测器都较薄,可以用圆面模拟,假定其直径1.8cm,请定义相应的记数。

§4.5 材料的指定

这组卡片指定栅元材料成份和截面数据。

助记名 Mm DRXS AWTAB VOID 卡片类型 材料成份 离散反应截面 原子量 否定材料 节内编号 A B C D

A. Mm 材料卡 (Material Card)

格式: Mm ZAID1 f1... ZAIDk fk

m: 将对应栅元卡上指定的材料号

ZAIDi: 为ZZZAAA.nnx,第i种成份元素或核素,

nnx可缺省

fi: 第i种成份在材料中比例。正数表示原子比例,负数表示重量比例。

对于中子,AAA=000表示天然元素。若栅元密度是按3

g/cm输入的,MCNP将按天然元素取原子量。如果所用元素并非天然元素,则在栅元卡上应当填写原子密度,以保证其正确性。至于哪种ZAID截面数据可以利用,请参阅XSDIR文件和本教程附录。nnx若省略,使用35C。

对光子输运,无论AAA填什么,程序置AAA=000,nnx取01P,对光子而言元素和核素没有区别。

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