Advanced Monte Carlo for Radiation Physics, Particle Transport Simulation and Applications pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Kling, A.; Barao, F. J. C.; Kling, Andreas

出品人:

页数:1218

译者:

出版时间:2001-11-15

价格:USD 286.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9783540417958

丛书系列:

图书标签:

• Monte Carlo
• 辐射物理
• 粒子输运
• 模拟
• 应用
• 辐射剂量学
• 核物理
• 计算物理
• 医学物理
• 蒙特卡洛方法

辐射物理与粒子输运模拟：基础、方法与前沿应用 本书聚焦于现代辐射物理学领域的核心——粒子输运的理论基础、数值求解方法及其在工程、科学研究中的广泛应用。 本书旨在为物理、工程、核科学及计算科学领域的学生、研究人员和专业工程师提供一本全面、深入且具有实践指导意义的参考书。它不侧重于单一的蒙特卡洛方法论的特定变体，而是构建一个更广阔的框架，涵盖理解和解决复杂粒子输运问题的多维度工具集。 第一部分：辐射场与物质相互作用的理论基础 本部分奠定了理解粒子在介质中行为的物理和数学基础。我们深入探讨了辐射场的本质，包括光子、电子、中子和重离子的定义、能谱描述以及在不同尺度下的行为特征。 1. 辐射场的基本概念与描述： 粒子态空间的定义： 详细阐述了微观物理中描述粒子状态的相空间（Phase Space）概念，包括位置、动量和自旋的表征。 辐射传输方程的推导与演化： 从玻尔兹曼输运方程（Boltzmann Transport Equation, BTE）的微观动力学原理出发，推导其在不同近似下的形式，包括半群理论的应用。着重于如何将连续变量的输运方程转化为适用于数值求解的积分或微分形式。 能谱与角分布： 讨论了如何精确描述粒子能量的衰减和散射过程，引入辐射能谱密度函数（Spectral Density Function）的概念，并探讨其在分析中子活化、伽马屏蔽等问题中的关键作用。 2. 粒子与物质的相互作用截面： 微观截面与宏观截面： 详细解析了各种基本相互作用（弹性散射、非弹性散射、吸收、产生新粒子）的微分截面 ($frac{dsigma}{dOmega}, frac{dsigma}{dE}$) 和总截面。 相互作用的能量依赖性： 对光子（光电效应、康普顿散射、电子对效应）、电子（电离、轫致辐射）和中子（共振、快中子散射）的截面特性在不同能量范围内的变化进行系统梳理，强调了核数据库（如ENDF/B, JEF）的结构和使用规范。 介质特性与平均自由程： 阐述了如何根据材料密度、原子序数和组分信息计算出粒子的平均自由程和平均能量损失，为后续的输运模拟提供必要的输入参数。 第二部分：数值求解方法论：超越单一蒙特卡洛 本部分侧重于解决粒子输运方程的数值方法，重点介绍确定性方法和随机性方法的互补性与协同性。 3. 确定性输运方法的原理与实现： 离散坐标法（$S_N$ 方法）： 详细介绍如何将连续的角变量离散化，推导和求解离散化后的输运方程组。讨论了在非均匀几何和各向异性散射下的数值稳定性和收敛性问题。 扩散理论（Diffusion Theory）： 阐述扩散方程的物理前提和数学形式，特别是其在密介质、热中子输运中的适用范围和局限性。讨论如何通过多群常数处理技术将复杂的中子能谱简化为少数能群。 有限元方法（FEM）在输运中的应用： 探讨使用变分原理或加权残量法（如伽辽金法）来处理复杂边界条件和不规则几何体的输运问题。 4. 概率统计方法的深入探讨： 随机采样技术： 系统回顾用于生成物理量分布的经典采样技术，如逆变换法、拒绝采样法。重点分析在高维积分和稀疏概率密度函数下的效率瓶颈。 输运模拟中的方差与偏差控制： 深入讨论如何通过重要性抽样（Importance Sampling）、俄罗斯轮盘法（Russian Roulette）和截断（Splitting）等高级技术来优化模拟效率并提高结果精度。 时间依赖性输运（Time-Dependent Transport）： 探讨如何将蒙特卡洛方法扩展到瞬态输运问题，包括在时空网格上的时间步进策略以及处理粒子寿命和衰变序列的算法设计。 第三部分：高级应用与多物理场耦合 本部分将理论和方法应用于实际工程和前沿研究中，强调跨学科的耦合模拟需求。 5. 辐射屏蔽与剂量计算： 屏蔽设计准则： 介绍在航天、核电站和医疗加速器环境下的辐射环境评估标准，如剂量当量（Dose Equivalent）和有效剂量（Effective Dose）的计算方法。 次级粒子生成与输运： 重点讨论高能粒子撞击靶材后产生的次级粒子（如π介子、次级伽马光子）的输运模拟，这对于深层屏蔽和诱发活化分析至关重要。 剂量学中的不确定性量化： 探讨如何利用统计分析和敏感性分析方法，评估输入参数不确定性对最终剂量计算结果的影响。 6. 反应堆物理与核燃料循环： 临界性分析： 使用输运方程求解反应堆堆芯的本征值问题，探讨反射层、控制棒和燃料排布对有效增殖因子的影响。 燃耗（Depletion）模拟： 描述如何将粒子输运模拟与核素演化方程（Burnup Equations）耦合，模拟燃料在反应堆内随时间变化的微观物理和宏观反应性变化。 快堆与先进反应堆概念： 分析在快反应堆中，高能中子输运的特殊挑战，如截面数据的不确定性、温度反馈效应（Doppler Broadening）的处理。 7. 粒子输运在探测器与成像中的应用： 探测器响应函数模拟： 利用粒子输运模拟来精确预测不同类型辐射探测器（闪烁体、半导体、气体电离室）对特定辐射场的响应矩阵（Resolution Matrix）。 医学成像中的辐射传输： 讨论如何将输运理论应用于正电子发射断层扫描（PET）和单光子发射计算机断层扫描（SPECT）中的伽马射线穿透和衰减校正。 8. 现代计算范式与高性能计算（HPC）： 并行化策略： 探讨在多核处理器和大规模集群上实现粒子输运代码并行化的主要策略，包括域分解、粒子并行和几何并行。 GPU加速计算： 分析将核心算法（如高能散射矩阵查找、随机数生成）移植到图形处理器（GPU）上的优势与技术难点。 本书通过对这些主题的全面覆盖，旨在培养读者对粒子输运现象的深刻物理理解，并掌握运用先进计算工具解决复杂辐射问题的能力。内容选择和论述方式注重严谨的数学推导与实际工程问题的紧密结合，避免陷入单一方法论的细节泥潭，强调建立一个系统的、跨越不同物理领域的解决问题的思维框架。

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从我个人的学习经历来看，这本书的深度和广度是令人惊叹的。它显然不是那种只停留在教科书层面，泛泛而谈的入门读物。作者团队显然是该领域的一线研究人员，书中融入了大量最新的研究进展和未被广泛公开的“小技巧”。例如，对于某些特定几何构型下的偏差修正方法，书中的描述比我在其他期刊论文中看到的更为详尽和实用。特别是关于高维积分收敛性的讨论，提供了多维度、多角度的分析视角，甚至包括了对不同伪随机数生成器性能的对比研究，这种细致入微的探讨，对于真正想要进行高精度数值模拟的工程师和博士生来说，简直是无价之宝。它提供的不仅仅是“是什么”，更是“为什么这么做”以及“如何做得更好”。

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这本书的装帧设计简直是教科书的典范，封面采用了那种沉稳的深蓝色调，配上简洁的白色和少许亮色字体，给人一种专业、严谨的感觉。内页的纸张质量非常上乘，触感细腻，印刷清晰锐利，长时间阅读眼睛也不会感到疲劳。特别是那些复杂的数学公式和图表，排版得错落有致，逻辑性极强，即使是初次接触这些高级概念的读者，也能在视觉上感受到一种清晰的引导。书脊的装订也十分牢固，即便是经常翻阅和重度使用，也不用担心松散或损坏。整体来看，这本书在实体制作工艺上投入了不少心思，完全符合一本高端学术专著应有的水准。这种对细节的关注，也侧面反映了作者团队在内容编排上的精益求精，让人对即将阅读的知识内容充满了期待，仿佛拿到手的不仅仅是一本书，更是一件工艺品。

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这本书的实用性体现在其丰富的案例分析和对计算效率的关注上。在理论介绍之余，作者穿插了大量关于如何将这些蒙特卡洛方法高效地应用于实际计算平台（如并行计算环境）的讨论。这部分内容尤其宝贵，因为它直接连接了理论模型和实际工程应用之间的鸿沟。书中对计算瓶颈的分析非常到位，并给出了实用的优化建议，这使得这本书不仅仅是一本理论参考书，更像是一本高级实践指南。我特别欣赏作者在讨论不同算法的计算成本时，那种坦诚和量化的态度，没有回避实际计算中可能遇到的陷阱。对于任何希望从理论走向构建成熟、可靠的粒子输运模拟软件的专业人士而言，这本书无疑是案头必备的权威参考资料。

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这本书的章节结构安排得极其巧妙，它不像许多传统教材那样生硬地堆砌理论，而是采取了一种循序渐进、由浅入深的叙事方式。开篇部分用非常精炼的语言回顾了基础的蒙特卡洛方法论，为后续的复杂应用打下了坚实的基础。随后，作者并未急于展示那些晦涩难懂的高级算法，而是先通过一系列具体的物理场景实例，引导读者理解为何需要这些“进阶”的模拟技术。这种贴近实际问题的引入方式，极大地激发了读者的求知欲。我发现，作者在过渡章节的处理上尤为高明，总能找到一个优雅的平衡点，既保证了理论的严密性，又保持了阅读的流畅性。这种精心设计的知识地图，让读者在探索粒子输运的复杂世界时，心中有方向，不至于迷失在公式的海洋里。

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这本书在数学严谨性上达到了一个非常高的水准，但令人欣慰的是，它并没有让晦涩的数学成为阻碍理解的门槛。作者在引入每一个复杂的随机过程和推导每一个核心方程时，都配以详尽的背景解释和物理意义的阐述。例如，在讨论辐射场与物质相互作用的概率密度函数时，作者并没有直接抛出最终表达式，而是通过对微观物理过程的剖析，层层递进地构建出模型。对于那些对概率论和随机过程有一定基础的读者来说，这本书会让你如虎添翼；而对于背景稍弱一些的读者，它也提供了足够的上下文和注释，帮助你理解这些数学工具在解决实际物理问题中的强大威力。阅读体验是一种被挑战但又被充分支持的感觉。

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