[论文解读] CEM03.03 and LAQGSM03.03 Event Generators for the MCNP6, MCNPX, and MARS15 Transport Codes

S. G. Mashnik, K. K. Gudima+4 more|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|May 6, 2008

Nuclear Physics and Applications被引用 39

一句话总结

本文提出了适用于MCNP6、MCNPX和MARS15的CEM03.03与LAQGSM03.03事件生成器，整合了从20 MeV到1 TeV/核子的核反应先进模型。通过引入基于SMM的'S'（SMM）和基于GEMINI的'G'（GEMINI）改进，显著提升了中等能量下对中等质量及轻核的碎片化与裂变预测的准确性，同时保持了计算效率。

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.

研究动机与目标

• 开发并验证适用于加速器驱动系统（ADS）、散裂中子源和辐射屏蔽中使用的运输代码的中高能核反应改进型事件生成器。
• 解决标准CEM与LAQGSM代码的局限性，特别是中等能量下缺乏多碎片化及准确裂变建模的问题。
• 在宽广的能量范围内，提升对粒子-粒子、粒子-核以及核-核反应的预测准确性，尤其针对轻核与中等质量靶核。
• 引入并基准测试基于SMM的'S'版本与基于GEMINI的'G'版本，以改进激发残余核中多碎片化与类裂变衰变的描述。
• 在保持与实验数据高度一致的同时确保计算效率，支持如重离子治疗中基于PET的束流监测等实时应用。

提出的方法

• 采用改进的核子-核子相互作用与泡利阻塞效应的核内 cascade（INC）模型，模拟早期能量沉积与核内动力学过程。
• 整合改进的激发核模型（MEM）与预平衡发射模型，描述统计平衡未达之前粒子的发射行为。
• 应用基于统计衰变理论的蒸发模型，模拟复合核的顺序粒子发射。
• 采用基于核能级密度与裂变势垒计算质量、电荷与动能分布的裂变模型，并对GEM2进行修改以提升裂变概率与分布的准确性。
• 引入费米断裂模型，描述弱束缚体系中低动量核子的发射行为。
• 引入' S'与' G'版本的代码，分别采用统计多碎片化模型（SMM）与GEMINI类裂变二元衰变模型，用于在预平衡阶段后激发能超过2–5×A MeV的核素。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何改进CEM与LAQGSM事件生成器，以更准确描述中等能量下中等质量及轻核的多碎片化行为？
• RQ2 与标准的CEM03.03和LAQGSM03.03相比，基于SMM的'S'版本与基于GEMINI的'G'版本在碎片产额与裂变特性预测方面提升了多少？
• RQ3 为何标准CEM与LAQGSM在1 GeV以上能量下无法准确描述碳等轻核的反应？LAQGSM中引入的“拖网效应”（trawling）如何解决此问题？
• RQ4 在重离子反应中，使用LAQGSM与PHITS中的QMD模型相比，在准确度与速度之间存在何种计算权衡？
• RQ5 在GEMINI模型中，对锕系元素低能裂变及预锕系核素裂变延迟时间的建模仍存在哪些未解决的局限性？

主要发现

• S'与'G'改进显著提升了对激发能超过2–5×A MeV的残余核中多碎片化与类裂变衰变的描述能力，使实验碎片产额数据的再现更加准确。
• CEM03.03与LAQGSM03.03在预测宽范围的核子诱导反应与核-核反应的粒子产额与能量分布方面，优于以往版本，尤其在20 MeV至5 GeV范围内表现突出。
• LAQGSM03.03成功模拟了在能量超过1 GeV时轻靶核（如碳）中的“拖网效应”，而标准CEM无法实现，这为该情形下使用LAQGSM提供了合理依据。
• S'与'G'版本目前尚未作为MCNP6、MCNPX或MARS15的默认事件生成器集成，但作为工作版本用于修正已知缺陷。
• 在400 MeV/核子铀束流撞击锂靶时，LAQGSM的计算速度约为PHITS中QMD模型的210倍，使其适用于如癌症治疗中基于PET的实时束流监测等应用。
• 尽管有所改进，但当前形式的GEMINI模型对预锕系核素的裂变势垒仍存在低估，且在低激发能下高估裂变概率，表明该模型仍需未来更新。