[论文解读] Bertini intra-nuclear cascade implementation in Geant4

A. Heikkinen, N.V. Stepanov+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2003

Nuclear physics research studies参考文献 16被引用 68

一句话总结

本文在 Geant4 5.0 版本中实现了 Bertini 核内核 cascade（INC）模型，可模拟质子、中子、π介子、光子和轻核在中能核反应（100 MeV–3 GeV）中的行为。该模型将 Bertini 的核内核动力学与离激、预平衡、裂变、爆炸和蒸发模型相结合，与铁和铅靶在中子和π介子双微分截面实验数据方面表现出良好一致性。

ABSTRACT

We present here a intra-nuclear cascade model implemented in Geant4 5.0. The cascade model is based on re-engineering of INUCL code. Models included are Bertini intra-nuclear cascade model with exitons, pre-equilibrium model, nucleus explosion model, fission model, and evaporation model. Intermediate energy nuclear reactions from 100 MeV to 3 GeV energy are treated for proton, neutron, pions, photon and nuclear isotopes. We represent overview of the models, review results achieved from simulations and make comparisons with experimental data.

研究动机与目标

• 在 Geant4 模拟框架内开发一个全面的核内核 cascade 模型，用于中能强子相互作用。
• 实现对质子、中子、π介子、光子和同位素在宽广能量范围（100 MeV–3 GeV）内核反应的精确模拟。
• 将 Bertini INC、离激、预平衡、裂变、核爆炸和蒸发等多种物理模型整合为一个统一的、与 Geant4 兼容的框架。
• 通过铁和铅靶上质子诱导反应的双微分截面实验数据，验证模型性能。
• 为未来模型在更高能量范围的调优与扩展奠定基础，提升物理保真度。

提出的方法

• 基于 INUCL 代码重新实现 Bertini 核内核 cascade 模型，采用相对论性运动学和三区域核密度近似。
• 通过使用自由核子-核子截面和区域依赖的核子密度，采用随机输运方法模拟粒子相互作用。
• 在每次碰撞步骤中强制执行泡利不相容原理，能量阈值（E > 2 MeV）决定次级粒子是否逃逸或触发进一步相互作用。
• 在 cascade 过程中动态更新离激模型，以描述原子核中剩余激发能的演化。
• 通过现象学和统计方法，按顺序模拟 cascade 后过程——裂变、核爆炸、预平衡发射和统计蒸发。
• 最终态粒子发射采用 Dostrovsky 方法计算，蒸发过程持续进行，直至激发能低于 0.1 MeV，随后继续进行伽马衰变，直至低于 10–15 MeV。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 256 MeV 和 597 MeV 能量下，Bertini 核内核 cascade 模型对铁和铅靶上质子诱导反应的双微分中子发射能谱的模拟精度如何？
• RQ2 在铅靶上，入射质子能量为 585 MeV 时，该实现模型在预测 π⁺ 产额截面方面的表现如何？
• RQ3 结合 cascade、预平衡和蒸发的模型在 100 MeV 至 3 GeV 能量范围内对实验数据的重现能力如何？
• RQ4 引入裂变和核爆炸模型后，对高度激发残余核的描述改善程度如何？
• RQ5 该模型在不同核靶和入射粒子下是否能保持一致的能量守恒和物理一致性？

主要发现

• 在 256 MeV 能量下，Geant4 中的 Bertini INC 模型与铁靶上从 7.5° 到 150° 的实验双微分中子截面数据表现出合理一致性。
• 在 597 MeV 能量下，对铅靶的中子产额模拟结果，尤其在 60° 和 120° 角度，与实验数据高度一致，验证了模型在更高能量下的性能。
• 在 585 MeV 能量下，对铅靶上 π⁺ 产额截面的预测结果，在 22.5° 至 135° 的角度范围内与实验数据达到中等至良好一致性。
• 该模型成功再现了次级粒子发射的能量和角度依赖性，包括预平衡和蒸发贡献。
• 通过检查剩余激发能，确保 cascade 后能量守恒，证实了模拟过程的内部一致性。
• 模型在多种靶核（Al、Fe、Pb）和入射能量（1–8 GeV）下均表现出良好性能，时序测量表明其在标准计算硬件上具备可行性。