مش تالی-درس پنجم-مش تالی نوع سوم در MCNP

مش تالی نوع سوم برای رسوب انرژی، یک ابزار قدرتمند برای محاسبۀ میزان انرژیی است که توسط برهمکنشهای ذرات با ماده در واحد حجم ذخیره میشود. این انرژی در نهایت به گرما تبدیل میشود. این تالی مستقل از هندسه عمل کرده و نتایج را بر روی یک شبکه کارتزین، استوانهای یا کروی گزارش میدهد.

مبانی فیزیکی: رسوب انرژی میتواند ناشی از منابع مختلفی باشد:

• ترمزدادن (Slowing Down) ذرات باردار (مانند پروتونها، الکترونها).

• انرژی جنبشی هستههای پسزنی (Recoil Nuclei) حاصل از برهمکنشهای نوترونی.

• انرژی ذراتی که تولید میشوند اما به دلایل محاسباتی (مثل cut-off انرژی) ردیابی نمیشوند و فرض بر این است که انرژی آنها به صورت محلی رسوب میکند (مثلاً ذرات آلفا و لیثیم حاصل از واکنشهای (n,a) و (n,Li) در انرژیهای پایین).

• استفاده از توابع پاسخ (Response Functions) برای مدلسازی اثرات خاص.

۲. نحوۀ تعریف و کلیدواژههای حیاتی

تعریف این تالی نیز مانند قبل در دو بخش کارت تالی و کارت MESH انجام میشود، اما با جزئیات و کلیدواژههای خاص خود.

۲.۱. کارت تالی

برای فعال کردن این حالت، از ستاره (*) قبل از F4 استفاده میشود.

*F4:N  Mesh
FC4 Energy Deposition in MeV/cm^3 per source particle
FM4 1.0

• *F4:N: پیشوند * به MCNP میفهماند که این یک تالی رسوب انرژی است، نه یک تالی شار ساده.

• Mesh: کلمه کلیدی برای مش تالی.

۲.۲. کارت MESH و کلیدواژههای تخصصی

فرمت کلی کارت MESH برای این تالی به صورت زیر است:

MESH4 geom=xyz origin= x0 y0 z0 imesh= i iints jmesh= j jints kmesh= k kints
     TOTAL IEVT SECOL TLEST DELCT MFACT MTERO TRANS

توضیح کلیدواژههای حیاتی (بر اساس Table 5-85):

نکته بسیار مهم در نرمالایزاسیون: همانطور در تصویر اول اشاره شده، از آنجایی که مش مستقل از هندسه است، یک یاخته مش ممکن است چندین ماده با چگالیهای مختلف را پوشش دهد. بنابراین، نرمالایزاسیون خروجی بر اساس واحد حجم (MeV/cm³/ذره منبع) است، نه بر اساس واحد جرم (MeV/gram/ذره منبع) که در تالیهای حجمی استاندارد مرسوم است. برای تبدیل به واحد جرم، کاربر باید چگالی مواد درون هر یاخته را به صورت دستی در پسپردازش اعمال کند.

۳. تفاوتهای کلیدی با سایر تالیها

• مقایسه با +F6 (Heating Tally): تالی +F6 نیز انرژی رسوبشده را گزارش میکند، اما این کار را در یک سلول از هندسه مدل انجام میدهد. مش تالی نوع سوم همان محاسبه را انجام میدهد اما برای هزاران سلول مجازی (شبکه مش)، که یک نقشه سهبعدی کامل از توزیع گرمایش ارائه میدهد.

• مقایسه با F4: (Standard Flux Tally): تالی F4: شار (ذرات بر سانتیمتر مربع) را گزارش میکند. برای به دست آوردن میزان گرمایش از شار، باید از یک تابع پاسخ (مثلاً ضرایب تبدیل شار به دوز) استفاده کرد. مش تالی رسوب انرژی این تبدیل را به صورت داخلی و با در نظر گرفتن فیزیک ذرات و برهمکنشهای آنها انجام میدهد و نتیجه نهایی را مستقیماً ارائه میکند.

۴. کاربردهای عملی

۱. محاسبه توزیع توان و گرمایش در قلب راکتور: طراحی سیستم خنککننده راکتور مستلزم دانستن دقیقترین توزیع ممکن میزان تولید گرما در میلههای سوخت، بازتابنده و سایر اجزا است.
۲. دزیمتری پرتو در پزشکی (رادیوتراپی): محاسبۀ دقیق دوز جذبی (Absorbed Dose) با واحد Gray (معادل Joule/kg) در بافتهای بدن بیمار. برای این کار، خروجی (MeV/cm³) باید در فاکتورهای تبدیل مناسب (مانند تبدیل cm³ به kg با استفاده از چگالی بافت) ضرب شود.
۳. تحلیل اثرات تابش روی الکترونیک (Radiation Hardening): محاسبۀ انرژی رسوبشده در تراشههای نیمهرسانا برای پیشبینی و mitigate کردن errors ناشی از تابش یوننده.
۴. برآورد آسیب پرتو به مواد (Radiation Damage): با استفاده از کلیدواژه SECOL میتوان انرژی منتقلشده به اتمهای ماده را که منجر به جابجایی اتمی (Atomic Displacement) میشود، برآورد کرد.

۵. مثال عملی: محاسبۀ دوز حول یک منبع پرتوی گامای کبالت-۶۰

هدف: شبیهابی توزیع دوز جذبی حول یک منبع نقطهای ⁶⁰Co در هوا.

فایل ورودی نمونه (خلاصهشده):

C Example: Energy Deposition Mesh Tally for a Co-60 source
c --- Cell Cards ---
1 0 -1 imp:p=1  $ Air cell
2 0 1 imp:p=0   $ Outside world

c --- Surface Cards ---
1 SO 50  $ A large sphere of air (50 cm radius)

c --- Data Cards ---
MODE P
c --- Material and Physics Cards (omitted for brevity) ---
c --- Source Definition ---
SDEF POS=0 0 0 ERG=D2 PAR=2
SP2 -21 0.5 1.3325 0.5 1.1732  $ Co-60 energy spectrum (approx.)
c --- Tally Definition ---
*F4:P Mesh
FC4 Energy Deposition in MeV/cm^3 from Co-60 source
c --- Mesh Definition ---
MESH4 geom=xyz origin=-10 -10 -10
      imesh=-10 10
      iints=20
      jmesh=-10 10
      jints=20
      kmesh=-10 10
      kints=20
      TOTAL    $ Score total energy deposition from all sources
c ---
NPS 1e6

تحلیل نتایج:

• خروجی در فایل meshtal ذخیره میشود.

• مقادیر در هر یاخته به صورت MeV/cm³/ذره منبع گزارش شده است.

• برای تبدیل به دوز جذبی (Gray):
  ۱. نتایج را در تعداد ذرات منبع (مثلاً برای NPS 1e6، ضرب در 1e6) ضرب کنید تا به MeV/cm³ برسید.
  ۲. مقدار را به ژول تبدیل کنید (1 MeV = 1.602e-13 J).
  ۳. حجم یاخته را محاسبه کنید (مثلاً اگر مش با iints=20 بین ۲۰- تا ۲۰+ تعریف شده باشد، اندازه یاخته ۲ سانتیمتر است، بنابراین حجم یاخته 8 cm³ است).
  ۴. انرژی در یاخته (ژول) را بر جرم در یاخته تقسیم کنید. اگر یاخته کاملاً از هوا (چگالی ~0.001225 g/cm³) پر شده باشد، جرم یاخته برابر است با حجم * چگالی = 8 * 0.001225 = 0.0098 g = 9.8e-6 kg.
  ۵. عدد نهایی دوز بر حسب Gray (J/kg) خواهد بود.

این فرآیند پسپردازش را میتوان به صورت خودکار با استفاده از اسکریپتنویسی (مثلاً در Python) انجام داد.

۶. نتیجهگیری

مش تالی نوع سوم برای رسوب انرژی در MCNP، با وجود پیچیدگی در نرمالایزاسیون و نیاز به پسپردازش، یکی از ارزشمندترین ابزارها برای به دست آوردن مستقیمترین و دقیقترین نتایج در شبیهسازیهای مربوط به انتقال حرارت ناشی از تابش، دزیمتری و تحلیل آسیب مواد است. درک عمیق کلیدواژههای آن و تفاوتهایش با تالیهای دیگر، برای هر کاربر پیشرفته MCNP ضروری میباشد.