[논문 리뷰] Complex Particle and Light Fragment Emission in the Cascade-Exciton Model of Nuclear Reactions

S. G. Mashnik, Arnold J. Sierk외 1명|ArXiv.org|2002. 08. 23.

Nuclear physics research studies참고 문헌 16인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 핵반응에서 복잡한 입자 및 경미한 빛입자 방출을 시뮬레이션하기 위해 캐스케이드-엑시톤 모델(CEM2k)에 중요한 개선을 제안한다. 고중성자수율 잔류핵 생성물과 파편 스펙트럼 예측을 향상시키기 위해 분열 및 증발 모델을 통합하였다. 확장된 CEM2k 코드는 스필레이션, 분열, 분해 반응에서 실험 데이터와의 일치도가 향상되었으며, 특히 새로운 역단면적 근사, 쿨롱 장벽 계산, Stepanov의 열역학적 분열 모델을 통해 이루어졌다.

ABSTRACT

A brief description of our improvements and refinements that led from the CEM95 version of the Cascade-Exciton Model (CEM) code to CEM97 and to CEM2k is given. The increased accuracy and predictive power of the code CEM2k are shown by several examples. To describe fission and light-fragment (heavier than 4He) production, the CEM2k code has been merged with the GEM2 code of Furihata. We present some results on proton-induced fragmentation and fission reactions predicted by this extended version of CEM2k. We show that merging CEM2k with GEM2 allows us to describe many fission and fragmentation reactions in addition to the spallation reactions which are already relatively well described. We have initiated another approach to describe fission, complex particles and fragment emission by developing further our CEM2k code addressing specifically these problems. In this effort, we have developed our own universal approximation for inverse cross sections, new routines to calculate Coulomb barriers and widths of emitted particles and to simulate their kinetic energy using arbitrary approximations for the inverse cross sections. To describe fission-fragment production, we have incorporated into CEM2k a thermodynamical model of fission by Stepanov. This extended version of CEM2k allows us to describe much better complex particle emission and many fission fragments, but it is still incomplete and needs further work.

연구 동기 및 목표

• 핵반응에서 복잡한 입자 및 경미한 빛입자 방출을 위한 CEM2k 코드의 예측 능력을 향상시키기 위해.
• 이전 CEM 버전이 분열 파편과 고중성자수율 잔류핵을 기술하는 데에 한계를 보였음을 해결하기 위해.
• 캐스케이드-엑시톤 프레임워크와 통합 가능한 자기일관성 있고 물리적으로 타당한 분열 및 파편 방출 모델을 개발하기 위해.
• 다양한 입사입자 및 목표핵에 걸쳐 동위원소 생성물, 운동에너지 스펙트럼, 파편 분포를 정확하게 시뮬레이션할 수 있도록 하기 위해.
• 임의의 매개변수에 의존하는 것을 줄이기 위해, 새로운 물리적 근사법을 도입하여 역단면적과 쿨롱 장벽을 처리하기 위해.

제안 방법

• 새로운 역단면적 근사 및 발사된 입자에 대한 쿨롱 장벽과 너비 계산을 개선한 CEM2k의 향상.
• Stepanov의 열역학적 분열 모델을 CEM2k에 통합하여 분열 파편 생성과 운동에너지 분포를 시뮬레이션.
• Furihata의 GEM2 코드와 CEM2k를 결합하여 증발 및 분열 과정을 모델링하고, 복잡한 입자 및 파편 방출을 시뮬레이션 가능하게 함.
• 임의의 역단면적 근사 및 쿨롱 장벽에 기반한 입자 운동에너지 시뮬레이션 루틴을 구현.
• 최대 66종의 입자 유형(기본 상태 및 준항상)과 최대 29개의 전평형 입자를 처리할 수 있도록 코드를 확장.
• 캐스케이드 단계에서 빠르게 방출된 양성자 및 중성자로부터 복잡한 입자 결합을 도입하여 경미한 빛입자 스펙트럼을 향상.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CEM2k 코드는 스필레이션을 초월하여 복잡한 입자 및 경미한 빛입자 방출을 정확하게 기술하기 위해 어떻게 확장될 수 있는가?
• RQ2 분열 및 증발 단계의 처리에 어떤 개선이 필요하여 실험적 파편 및 동위원소 생성물을 더 잘 재현할 수 있는가?
• RQ3 GEM2와 Stepanov의 분열 모델을 CEM2k에 통합하면 분열 파편의 A, Z 및 운동에너지 분포에 대해 일관되고 향상된 예측을 가능하게 하는가?
• RQ4 새로운 역단면적 및 쿨롱 장벽 근사가 입자 스펙트럼과 잔류핵 생성물의 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 현재 모델은 복잡한 입자 스펙트럼의 尾부를 기술하는 데에서 어떤 한계를 지니며, 이를 어떻게 보완할 수 있는가?

주요 결과

• 확장된 CEM2k2f 코드는 스필레이션, 분열, 분해 반응을 포함한 더 넓은 반응 범위를 실험 데이터와의 일치도를 높여 정확하게 기술하였다.
• Stepanov의 열역학적 분열 모델을 CEM2k에 통합함으로써 분열 파편 생성과 운동에너지 스펙트럼의 기술이 크게 향상되었다.
• 새로운 역단면적 근사 및 쿨롱 장벽 루틴은 입자 방출 확률과 운동에너지의 더 정확한 시뮬레이션을 가능하게 하였다.
• 이제 코드는 최대 66종의 다양한 입자 유형과 29개의 전평형 입자를 지원하여 복잡한 입자 스펙트럼을 모델링하는 능력이 향상되었다.
• 캐스케이드 단계에서 빠르게 방출된 뉴클론으로부터 복잡한 입자 결합을 도입함으로써 경미한 빛입자 생성물의 재현도가 향상되었다.
• 비록 개선되었지만, Z > 88 핵에 대한 $C(Z)$ 및 더 가벼운 분열 시스템에 대한 $a_f/a_n$ 등의 매개변수 조정이 여전히 필요하며, 이는 향후 작업이 계속되어야 함을 시사한다.