[论文解读] Complex Particle and Light Fragment Emission in the Cascade-Exciton Model of Nuclear Reactions

S. G. Mashnik, Arnold J. Sierk+1 more|ArXiv.org|Aug 23, 2002

Nuclear physics research studies参考文献 16被引用 10

一句话总结

本文对级联-激发核模型（CEM2k）进行了重大改进，用于模拟核反应中复杂粒子和轻碎片的发射，通过整合裂变与蒸发模型，提升了对重残余核素产额和碎片能谱的预测能力。扩展后的CEM2k代码在散裂、裂变和碎片化反应中与实验数据的符合度更高，尤其得益于新的逆截面近似、库仑势垒计算，以及Stepanov提出的热力学裂变模型。

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.

研究动机与目标

• 提升CEM2k代码在核反应中对复杂粒子和轻碎片发射的预测能力。
• 解决先前CEM版本在描述裂变碎片和重残余核素方面的局限性。
• 开发一种自洽且基于物理原理的裂变与碎片发射模型，使其与级联-激发核框架相兼容。
• 实现对不同入射粒子和靶核素的同位素产额、动能谱及碎片分布的精确模拟。
• 通过引入新的物理近似处理逆截面和库仑势垒，减少对经验参数的依赖。

提出的方法

• 在CEM2k中引入新的逆截面近似，改进发射粒子的库仑势垒与宽度计算。
• 将Stepanov的热力学裂变模型集成至CEM2k，用于模拟裂变碎片的生成与动能分布。
• 将CEM2k与Furihata开发的GEM2代码结合，以模拟蒸发与裂变过程，实现对复杂粒子与碎片发射的模拟。
• 实现通用程序，用于基于任意逆截面近似和库仑势垒模型模拟粒子动能。
• 扩展代码以支持最多66种不同粒子类型（包括基态与激发态）及最多29个预平衡粒子。
• 在级联阶段引入快中子聚合成复杂粒子的机制，以改善轻碎片能谱的模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何扩展CEM2k代码，以更准确地描述散裂之外的复杂粒子与轻碎片发射？
• RQ2 在裂变与蒸发阶段的处理上需要哪些改进，才能更准确地再现实验测得的碎片与同位素产额？
• RQ3 将GEM2与Stepanov裂变模型整合进CEM2k后，能否实现对裂变碎片质量数A、原子序数Z及动能分布的一致且更优的预测？
• RQ4 新的逆截面近似与库仑势垒模型对粒子能谱与残余核素产额的准确性有何影响？
• RQ5 现有模型在描述复杂粒子能谱尾部时存在哪些局限性？如何加以改进？

主要发现

• 扩展后的CEM2k2f代码成功描述了更广泛的反应类型，包括散裂、裂变与碎片化反应，且与实验数据的符合度显著提高。
• 将Stepanov的热力学裂变模型集成至CEM2k后，显著改善了对裂变碎片生成与动能谱的描述。
• 新的逆截面近似与库仑势垒计算模块，使得粒子发射概率与动能的模拟更加精确。
• 代码现支持最多66种不同粒子类型与29个预平衡粒子，显著增强了对复杂粒子能谱的建模能力。
• 在级联阶段通过快中子聚合成复杂粒子，可更准确地再现轻碎片产额。
• 尽管已有改进，模型仍需对$C(Z)$（$Z > 88$核素）与$a_f/a_n$（较轻裂变体系）等参数进行调优，表明仍需进一步工作。