[论文解读] Proton-Induced Fission Cross Section Calculation with the LANL Codes CEM2K+GEM2 and LAQGSM+GEM2

M.I. Baznat, K.K. Gudima+1 more|ArXiv.org|Jul 2, 2003

Nuclear physics research studies参考文献 8被引用 6

一句话总结

本文提出了一种改进的 CEM2k+GEM2 和 LAQGSM+GEM2 代码版本，能够准确计算从 20 MeV 到 10 GeV 的质子诱发裂变截面，适用于锕系前及锕系元素靶核。通过引入两个可调参数——$ C_a $ 用于锕系前元素，$ C_c $ 用于锕系元素，该模型在广泛的能量和靶核范围内与实验数据高度一致，并成功外推至中子、π介子和光子诱发的反应，无需进一步拟合。

ABSTRACT

The improved Cascade-Exciton Model code CEM2k and the Los Alamos version of the Quark-Gluon String Model code LAQGSM, previously merged with the Generalized Evaporation Model code of Furihata (GEM2) were further modified to provide reliable proton-induced fission cross sections for applications. By adjusting two parameters in GEM2 for each measured reaction, we were able to describe very well with CEM2k+GEM2 and LAQGSM+GEM2 all available experimental fission cross sections induced by protons with energies from 20 MeV to 10 GeV both for subactinide and actinide targets. We also successfully tested our approach on several reactions induced by neutrons, pions, and photons.

研究动机与目标

• 改进 CEM2k 和 LAQGSM 代码，以可靠预测从 20 MeV 到 10 GeV 广泛能量范围内的质子诱发裂变截面。
• 解决原始 GEM2 与 CEM2k 或 LAQGSM 耦合时因核内级联和预平衡发射差异而无法正确建模裂变的问题。
• 通过使用 Prokofiev 系统化实验数据校准 GEM2 中的裂变模型，调整两个关键参数——$ C_a $ 用于锕系前元素，$ C_c $ 用于锕系元素。
• 在非质子诱发反应（中子、π介子、光子）上验证改进代码，以确认拟合过程的稳健性。
• 利用平滑变化的拟合参数，实现对原始数据集之外的核素和能量范围的可靠插值与外推。

提出的方法

• 通过引入缩放因子 $ C_a $ 和 $ C_c $，对 GEM2 裂变模型进行修改，以调整裂变概率公式中的态密度参数 $ a_f $ 和半经验参数 $ C(Z) $。
• 利用 Prokofiev 系统化数据中 209Bi+p 和 232Th+p 反应的实验裂变截面，分别对 CEM2k+GEM2 和 LAQGSM+GEM2 独立拟合 $ C_a $ 和 $ C_c $。
• 保留原始 Atchison 裂变模型结构，但将固定的 $ a_f $ 和 $ C(Z) $ 值分别替换为 $ C_a imes a_f $ 和 $ C_c imes C(Z) $。
• 采用基于 $ C_a $ 和 $ C_c $ 值随靶核质量数 $ A $、原子序数 $ Z $ 和入射能量平滑变化的插值程序，将预测范围扩展至拟合数据集之外。
• 在不重新拟合的情况下，对中子、π介子和光子诱发裂变反应进行验证，证明了校准参数的可转移性。
• 在裂变和蒸发通道中，采用 Weisskopf-Ewing 统计模型计算中子宽度，使用 Dostrovsky 反截面近似处理态密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 CEM2k+GEM2 和 LAQGSM+GEM2 代码是否可通过有效修改，重现从 20 MeV 到 10 GeV 的实验质子诱发裂变截面？
• RQ2 为何原始 CEM2k+GEM2 和 LAQGSM+GEM2 代码在与非-Bertini 核内级联模型耦合时无法正确描述裂变截面？
• RQ3 哪些最优的缩放参数 $ C_a $ 和 $ C_c $ 值可实现对锕系前及锕系元素靶核裂变截面的精确重现？
• RQ4 校准后的参数 $ C_a $ 和 $ C_c $ 在多大程度上可用于对原始数据集之外的核素和能量范围实现可靠的插值或外推？
• RQ5 当应用于中子、π介子和光子诱发裂变时，校准后的模型是否仍保持准确性？

主要发现

• 在拟合 $ C_a $ 和 $ C_c $ 后，CEM2k+GEM2 和 LAQGSM+GEM2 代码能够以高精度重现从 20 MeV 到 10 GeV 之间所有可用的质子诱发裂变截面，涵盖锕系前和锕系元素靶核。
• 对于锕系前元素，$ C_a $ 值接近于 1，且随靶核 $ Z $、$ A $ 和入射能量平滑变化，支持可靠的插值与外推。
• 对于锕系元素，$ C_a $ 保持接近 1，而 $ C_c $ 值变化范围更广，但仍随 $ Z $ 和能量平滑变化，支持稳健的外推。
• 从 Prokofiev 系统化数据中导出的参数值为：$ C_{a1} = -27.74 $，$ C_{a2} = 0.9906 $，$ C_{a3} = 25.83 $，$ C_{a4} = -0.6567 $，$ C_{c1} = -45.80 $，$ C_{c2} = 1.227 $，$ C_{c3} = -10.95 $，$ C_{c4} = 0.2320 $，并用于定义插值函数。
• 该模型在无需额外拟合的情况下，成功描述了中子、π介子和光子诱发的裂变截面，证实了校准参数的物理一致性。
• LAQGSM+GEM2 和 CEM2k+GEM2 代码产生几乎相同的结果，表明该拟合过程在不同高能模型中均具有稳健性。