[논문 리뷰] CEM03.03 and LAQGSM03.03 Event Generators for the MCNP6, MCNPX, and MARS15 Transport Codes

S. G. Mashnik, K. K. Gudima외 4명|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|2008. 05. 06.

Nuclear Physics and Applications인용 수 39

한 줄 요약

이 논문은 MCNP6, MCNPX, MARS15용 CEM03.03 및 LAQGSM03.03 이벤트 생성기를 제시하며, 20 MeV에서 1 TeV/nucleon의 핵반응에 대해 고급 모델을 통합한다. 분열 및 다중편석 예측을 향상시키기 위해 'S'(SMM 기반)와 'G'(GEMINI 기반) 수정을 도입하여 중간 에너지 반응에서 중량핵 및 경질핵에 대해 정확도를 크게 향상시키면서도 계산 효율성을 유지한다.

ABSTRACT

A description of the IntraNuclear Cascade (INC), preequilibrium, evaporation, fission, coalescence, and Fermi breakup models used by the latest versions of our CEM03.03 and LAQGSM03.03 event generators is presented, with a focus on our most recent developments of these models. The recently developed "S" and "G" versions of our codes, that consider multifragmentation of nuclei formed after the preequilibrium stage of reactions when their excitation energy is above 2A MeV using the Statistical Multifragmentation Model (SMM) code by Botvina et al. ("S" stands for SMM) and the fission-like binary-decay model GEMINI by Charity ("G" stands for GEMINI), respectively, are briefly described as well. Examples of benchmarking our models against a large variety of experimental data on particle-particle, particle-nucleus, and nucleus-nucleus reactions are presented. Open questions on reaction mechanisms and future necessary work are outlined.

연구 동기 및 목표

• 가속기 구동 시스템(ADS), 스파라이션 중성자원, 방사선 차폐에 사용되는 운반 코드에서 중간 및 고에너지 핵반응을 위한 개선된 이벤트 생성기 개발 및 검증.
• 표준 CEM 및 LAQGSM 코드의 한계, 특히 중간 에너지에서의 다중편석 및 정확한 분열 모델링 부족 문제 해결.
• 특히 경질 및 중량핵 타겟에 대해 넓은 에너지 범위에서 입자-입자, 입자-핵, 핵-핵 반응의 예측 정확도 향상.
• 'S'(SMM 기반) 및 'G'(GEMINI 기반) 수정을 도입하고, 여기 상태의 잔류핵에서 다중편석 및 분열 유사 붕괴의 기술을 향상시킴.
• 실험 데이터에 높은 정밀도를 유지하면서도 계산 효율성을 확보하여, 중이온 치료에서 PET 기반 빔 모니터링과 같은 실시간 응용 가능

제안 방법

• 초기 에너지 침착 및 내핵 역학을 시뮬레이션하기 위해 향상된 입자-입자 상호작용과 파울리 금지 조건을 적용한 내핵 캐스케이드(INC) 모델 구현.
• 통계 평형에 도달하기 전의 입자 방출을 기술하기 위해 수정된 응집 모델(MEM) 및 평형 이전 방출 모델 통합.
• 합성핵에서의 순차적 입자 방출을 시뮬레이션하기 위해 통계 붕괴 이론 기반 증발 모델 적용.
• 핵 준위 밀도와 분열 장벽 기반으로 질량, 전하, 운동 에너지 분포를 계산하는 분열 모델을 적용하며, GEM2에 대한 수정을 통해 분열 확률 및 분포 향상.
• 약한 결합 시스템에서 저운동량 중성자 방출을 기술하기 위해 페르미 붕괴 모델 통합.
• 평형 이전 단계 이후 흥 excitations 에너지가 >2–5×A MeV인 핵에서 'S' 및 'G' 버전을 도입하여 각각 통계 다중편석 모델(SMM) 및 GEMINI 분열 유사 이중붕괴 모델을 사용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중간 에너지 핵반응에서 중량핵 및 경질핵에 대한 CEM 및 LAQGSM 이벤트 생성기를 어떻게 개선하여 다중편석을 더 잘 기술할 수 있는가?
• RQ2 SMM 기반 'S' 및 GEMINI 기반 'G' 수정이 표준 CEM03.03 및 LAQGSM03.03에 비해 편석 수확량 및 분열 특성 예측에 얼마나 향상되는가?
• RQ3 표준 CEM 및 LAQGSM가 1 GeV 이상에서 탄소와 같은 경질핵 반응을 설명하지 못하는 이유는 무엇이며, LAQGSM의 '트롤링' 효과 통합이 이를 어떻게 해결하는가?
• RQ4 중이온 반응에서 QMD 기반 PHITS와 비교할 때 LAQGSM의 정확도와 속도 사이의 계산적 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ5 GEMINI 모델에서 초우라늄핵의 저에너지 분열 모델링 및 전우라늄핵의 정확한 분열 지연 시간 예측에 남아 있는 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 'S' 및 'G' 수정은 흥 excitations 에너지가 >2–5×A MeV인 잔류핵에서 다중편석 및 분열 유사 붕괴를 크게 향상시켜 실험 데이터의 편석 수확량을 더 잘 재현할 수 있도록 한다.
• CEM03.03 및 LAQGSM03.03는 이전 버전에 비해 넓은 범위의 뉴클론 기반 및 핵-핵 반응에서 입자 수확량 및 에너지 분포 예측 성능이 향상되었으며, 특히 20 MeV에서 5 GeV 범위에서 두드러진다.
• LAQGSM03.03는 1 GeV 이상에서 탄소와 같은 경질 타겟에서 '트롤링' 효과를 성공적으로 모델링하여 표준 CEM이 실패하는 경우에도 유효함을 입증하며, 이러한 경우에의 적용 타당성을 뒷받침한다.
• 'S' 및 'G' 버전은 아직 MCNP6, MCNPX, MARS15의 기본 이벤트 생성기로 통합되어 있지 않지만, 알려진 한계를 보완하기 위한 작업용 수정으로 사용된다.
• 400 MeV/nucleon 우라늄이 리튬에 입사할 경우 LAQGSM은 PHITS의 QMD 모델 대비 약 210배 빠르며, 중이온 치료에서 PET 기반 빔 모니터링과 같은 실시간 응용에 적합하다.
• 개선된 결과에도 불구하고 현재 형태의 GEMINI는 전우라늄핵의 분열 장벽을 과소평가하고 저흥 excitations 에너지에서 분열을 과도하게 예측하여 향후 모델 업데이트가 필요함을 시사한다.