О Центре /  Исследования /  Ядерно-радиционная физика / Программа транспорта частиц

TPT (Toolkit for Particle Transport) Программа Транспорта Частиц (English)

Эксклюзивное моделирование ядерных реакций при низких энергиях

Моделирование ядерных реакций при низких энергиях, главным образом нейтрон-ядерных реакций, имеет более чем полувековую историю. Методика моделирования основана на анализе экспериментальных данных и создании полу-инклюзивных баз данных.

Инклюзивный характер баз данных в ENDF-6 формате определяется тем, что аппроксимируются инклюзивные спектры вторичных частиц, например, гамма-квантов, а полу-инклюзивными или даже "эксклюзивными" они называются потому, что приводят инклюзивные спектры для отдельных типов реакций: (n,γ), (n,n γ), (n,2n γ), (n,np γ), (n,α γ) и т. д. Анализ имеющихся баз данных в ENDF-6 формате выявил возможность создания модифицированных эксклюзивных баз данных, которые могут быть использованы эксклюзивными алгоритмами, созданными на базе пакета эксклюзивных программ CHIPS (CHiral Invariant Phase Space), одна из версий которого была имплементирована в открытый пакет программ Geant4. Эксклюзивные алгоритмы моделирования ядерных реакций при низких энергиях были собраны в пакет TPT (Toolkit for Particle Transport), включающий развиваемую и поддерживаемую версию пакета программ CHIPS. С начала 2013 года пакет программ CHIPS в составе пакета программ Geant4 не поддерживается, так что пользователям, использовавшим физические листы CHIPS и CHIPS_HP, теперь надо использовать пакет программ TPT и соответствующий физический лист CHIPS_TPT, который может работать в среде Geant4 без изменения пользовательских интерфейсов. Однако пакет TPT, моделирующий ядерные реакции при низких энергиях на новом качественном уровне, не является открытым кодом. В качестве исключения рассматривается вопрос об ограниченном распространении поддерживаемой версии CHIPS только в виде библиотек. Алгоритмы для физики низких энергий (E < 20 МэВ) предполагается распространять только в виде библиотек на коммерческой основе, причём работать в среде Geant4 они будут только при условии сетевой авторизации расчётов на конкретном компьютере.

Эксклюзивный характер алгоритмов пакета программ TPT определяется тем, что в каждом ядерном взаимодействии сохраняются энергия, импульс и квантовые числа (барионный заряд, электрический заряд и т.д.). Более того, следуя правилам пакета программ CHIPS, сохранение энергии, импульса и квантовых чисел осуществляется на всех этапах моделирования самого ядерного взаимодействия и может быть использовано для отладки алгоритмов. На финальном этапе тестирования TPT алгоритмов ядерного взаимодействия как Geant4-процесса, также проверяется сохранение энергии, импульса и квантовых чисел, что позволяет выявлять и устранять сбои в работе TPT алгоритмов.

Эксклюзивные TPT базы данных оформлены в виде T2_DATA директории с соответствующими поддиректориями. Должна быть определена соответстующая переменная T2_DATA, указывающая на эту директорию. База данных T2_DATA имеет различные версии, которые могут быть загружены на соответствующей вкладке этой страницы. Каждой версии библиотек TPT, которые также могут быть загружены на соответствующей вкладке этой страницы, должна соответствовать строго определённая версия TPT базы данных, которая указывается рядом с загружаемой версией TPT библиотек.

Пакет TPT использует все библиотеки Geant4 как внешние, поэтому пользователь может полностью сохранить свой Geant4-интерфейс. Если же необходимо заменить организацию вычислений (Run, Event и т. д.) или навигацию (TPT -объёмы, многократное рассеяние, GPGPU ускорители), необходимо модифицировать пользовательские интерфейсы в соответствии с прототипами TPT пользовательских классов.

Явления, описываемые только эксклюзивным моделированием

Вотличие от инклюзивных алгоритмов, таких как Geant4/HP и MCNP/ MCNPX, пакет эксклюзивных алгоритмов TPT позволяет моделировать такие параметры ядерных взаимодействий как:

  1. Распределение по множественности вторичных частиц.
  2. Энергетические и угловые корреляции вторичных частиц.
  3. Допплеровское уширение гамма-линий, характеризующих ядерный изотоп.
  4. Влияние законов сохранения на флуктуации, определяющие разрешение физических установок.
  5. Влияние законов сохранения на разброс KERMA-факторов радиоактивных источников в газовых средах.
  6. Влияние законов сохранения на флуктуации выделения энергии в ядерных энергетических установках.
  7. Влияние законов сохранения на локализацию выделения энергии в медицинских приложениях (двойной разрыв ДНК).
  8. Возможность исправления ошибок двойного счёта в полу-инклюзивных базах данных.
  9. Создание тестовых приложений для отладки эксклюзивных генераторов ядерных взаимодействий (TALYS, CGM/MCNPX).

Загрузка версий библиотек TPT для различных операционных систем

1. TPT-2.2 (T2_DATA-1.2) - Fedora14 (будет ссылка)

2. TPT-2.2 (T2_DATA-1.2) - SLC6 (будет ссылка)

3. Бесплатная библиотека физического листа TPT_CHIPS (не требует баз данных)

Загрузка баз данных в формате Linux

1. T2_DATA-1.2 (будет ссылка)

Сравнение результатов TPT моделирования с экспериментальными данными

Сравнение с данными измерений на полиэтилене
1. Сравнение с данными измерений на полиэтилене (учитывался только быстрый отклик гамма-детектора, поэтому водород сигнала не даёт). Чёрной кривой показаны данные измерений с детектором на основе кристалла BGO, регистрирующего гамма-кванты. Образец облучался нейтронами с энергией 14,2 МэВ. Красной линией показан результат моделирования с помощью пакета TPT, а жёлтым и зелёным показан результат моделирования с помощью внутреннего Geant4 пакета HP (версия Geant4-9.6). Жёлтая кривая - моделирование без сохранения энергии (инклюзивное моделирование), зелёная кривая - моделирование с попыткой коррекции закона сохранения энергии в каждом взаимодействии. Эти обозначения справедливы и для двух последующих рисунков. Видно, что HP пакет значительно хуже чем TPT описывает спектр излучённых фотонов: переоценен выход энергичных гамма-квантов. При меньших энергиях надо принять во внимание, что каждая линия имеет соответствующую эскейп-линию с энергией меньше основной линии на 0,511 МэВ, что соответствует одному упущенному гамма-кванту от аннигиляции позитрона (гамма-кванты разлетаются в противоположные стороны, и вблизи поверхности один из них вылетает из кристалла). При меньших энергиях в данных и в TPT моделировании имеется единственная линия с энергией 4,44 МэВ с эскейпом при 3,93 МэВ. HP/Geant4 даёт несуществующую линию при 3,2 МэВ с эскейпом при 2,7 МэВ, а при попытке сохранить энергию даёт ещё фиктивные линии с энергией менее 2 МэВ. TPT удовлетворительно описывает экспериментальные данные на полиэтилене сохраняя энергию и импульс в каждом взаимодействии. Необходимо заметить, что положения экспериментальных линий специально не калибровались, поэтому в положениях экспериментальных линий содержится небольшая систематическая ошибка. По этой причине сравнивать имеет смысл только относительную высоту различных линий. Нормировка моделирования произвольная с привязкой к высоте наиболее отчётливой линии.

Сравнение с данными измерений на воде
2. Сравнение с данными измерений на воде. На кислороде количество линий значительно больше. В целом HP/Geant4 описывает линии кислорода значительно лучше, хотя можно отметить, что при попытке сохранения энергии возникает явная переоценка спектра мягких гамма-квантов вплоть до 3,5 МэВ и, возможно, даже в районе 5 МэВ. В районе углеродной линии 4,44 МэВ эксперимент даёт завышенное значение из-за того, что в эксперименте вода была налита в полиэтиленовую бутылку. TPT моделирование, где полиэтиленовой бутылки не было, такого большого максимума не воспроизводит, а небольшой максимум соответствует возбуждению остаточного ядра углерода в (n,n α) реакции. В HP/Geant4 моделировании полиэтилен также отсутствовал, но углеродная линия слишком сильно проявляется, что выглядит как ошибка в HP/Geant4 пакете. Обращает также на себя внимание превышение данных измерения над TPT моделированием при 3,2 МэВ, но в других работах отмечалось, что всемирно известный код MCNP аналогично недооценивает выход гамма-квантов в этой области, что может свидетельствовать о необходимости уточнения базы данных ENDF/B-VII.1 для этой линии. Необходимо отметить, что разрешение детектора учитывалось лишь приблизительно, поэтому в области малых энергий данные моделирования могут потребовать большего размытия.

Сравнение с данными измерений на меламине
3. Сравнение с данными на меламине. Меламин использовался для оценки спектров азота, поэтому на линии углерода можно не обращать внимания. Тем не менее надо отметить, что для меламина HP/Geant4 значительно переоценивает выход гамма-квантов высоких энергий, даже если условно вычесть оттуда завышенный вклад на углероде. В области от 5,5 до 7 МэВ TPT описывает выход гамма-квантов лучше, чем HP/Geant4, который имеет в этой области ряд относительно узких линий. Линия в районе 6 МэВ описывается одинаково успешно и TPT, и HP/Geant4. В области меньше 2,7 МэВ TPT переоценивает силу азотных линий, но HP/Geant4 переоценивает их в ещё большей мере, причём при попытке сохранения энергии в области энергий меньших 2 МэВ сохраняется углеродный артефакт, ещё больше усиливающий азотную линию при 1,7 МэВ. Известно, что MCNP также несколько переоценивает мягкие линии азота. Переоценка мягких линий азота при TPT моделировании может быть связана с неточностью упругого рассеяния, которое переоценивает замедление нейтронов и, следовательно, переоценивает величину порождаемых мягкими нейтронами мягких линий. В ближайшее время упругое рассеяние в TPT пакете будет существенно улучшено, и эту неопределённость можно будет разрешить.

Список TPT публикаций

Список CHIPS публикаций

1. M. V. Kosov, Manual for the CHIPS event generator, KEK 2000-17 (2001)

2. M. V. Kosov, CHIPS model I: Masses of hadrons, Eur. Phys. J. A 14, 265 (2002)

3. P.V.Degtyarenko, M.V.Kosov, H.-P.Wellisch, CHIPS event generator I: Nucleon-antinucleon annihilation at rest, Eur. Phys. J. A 8, 217 (2000)

4. P.V.Degtyarenko, M.V.Kosov, H.-P.Wellisch, CHIPS event generator II: Nuclear pion capture at rest and photonuclear reactions below the Δ(3,3) resonans, Eur. Phys. J. A 9, 411 (2000)

5. P.V.Degtyarenko, M.V.Kosov, H.-P.Wellisch, CHIPS event generator III: Modeling of real and virtual photon interactions with nuclei below pion production threshold, Eur. Phys. J. A 9, 421 (2000)

6. M. V. Kosov, CHIPS event generator: Nuclear muon capture at rest, Eur. Phys. J. A 33, 7 (2007)

7. M. V. Kosov, Simulation of antiproton-nuclear annihilation at rest, IEEE Trans. Nucl. Sci. 52, 2832 (2005)

8. M. V. Kosov, Approximation of photonuclear interaction cross-section, Eur. Phys. J. A 14, 377 (2002)

9. M. V. Kosov, CHIPS model: Deep inelastic lepton-nucleon reactions, Eur. Phys. J. A 34, 283 (2007)