[论文解读] Unified Coupled-Channels and Hauser-Feshbach Model Calculation for Nuclear Data Evaluation

Toshihiko Kawano|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2019

Nuclear Physics and Applications被引用 4

一句话总结

本论文提出 CoH3，一种统一的核反应代码，将耦合通道光学模型与 Hauser-Feshbach 统计理论相结合，用于准确评估 keV 至数十 MeV 能区的核数据，尤其适用于形变核。该代码采用两种不同方法——广义透射系数与 Engelbrecht-Weidenmüller 变换——处理强通道耦合，验证结果表明，与其它代码相比，其在 182W 上的非弹性散射预测性能更优。

ABSTRACT

We present an overview of the coupled-channels optical model and the Hauser-Feshbach theory code CoH$_3$, which focuses on the nuclear reaction calculations in the keV to tens of MeV region with special attention to the nuclear deformation. The code consists of three major sections that undertake the one-body potential mean-field theory, the coupled-channels optical model, and the Hauser-Feshbach statistical decay. There are other complementary segments to perform the whole nuclear reaction calculations, such as the direct/semidirect radiative capture process, pre-equilibrium process, and prompt fission neutron emission.

研究动机与目标

• 开发一种全面的核反应代码，能够准确模拟中等至重核在 keV 至数十 MeV 能区的核数据。
• 解决形变核（特别是锕系元素）中强耦合的挑战，因为标准 Hauser-Feshbach 模型可能因集体激发而失效。
• 实现并比较两种先进方法——广义透射系数与 Engelbrecht-Weidenmüller 变换——以结合耦合通道理论与统计衰变理论。
• 生成详细的反应可观测量，包括截面、角分布、γ射线产额以及激发态的生成，用于评估核数据文件。
• 通过与实验数据及其他成熟代码（如 EMPIRE 和 TALYS）对比，验证代码性能，尤其针对形变靶核的非弹性散射。

提出的方法

• CoH3 使用 C++ 实现，包含约 200 个源文件和 80 个类，其中包含一个自定义的 ZAnumber 类，用于追踪反应链中的 (Z,A) 对。
• 代码使用自包含的光学模型求解器计算透射系数，单粒子波函数采用平均场模型（FRDM、HF-BCS、Woods-Saxon）。
• 对于形变核，应用旋转或振动耦合通道模型，通过 Engelbrecht-Weidenmüller 变换（EWT）对 S 矩阵进行对角化，以处理强耦合。
• 宽度涨落修正采用 Moldauer 方法，参数基于 GOE，修正在本征通道空间中进行，之后再变换回物理通道。
• Hauser-Feshbach 核心采用 Gilbert-Cameron 水平密度模型，并包含预平衡（双组分激发模型）、直接/半直接俘获以及 prompt 裂变中子发射（通过 Madland-Nix 模型）。
• 角分布采用 Blatt-Biedenharn 形式计算，结合 Moldauer 的统计理论，纳入透射系数与自旋依赖的矩阵元。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在核反应计算中一致地将耦合通道效应与 Hauser-Feshbach 统计模型结合？
• RQ2 与广义透射系数方法相比，使用 Engelbrecht-Weidenmüller 变换对形变核中非弹性散射截面有何影响？
• RQ3 两种方法在预测 182W 上中子引发反应的角分布与截面方面有何差异？
• RQ4 强通道耦合的引入在多大程度上提升了对形变锕系元素实验数据的符合度？
• RQ5 统一的 CoH3 框架能否在多个反应通道中产生可靠、高保真的核数据，包括同质异能比和 γ 射线能谱？

主要发现

• CoH3 通过两种不同方法——广义透射系数与 Engelbrecht-Weidenmüller 变换（EWT）——成功将耦合通道理论与 Hauser-Feshbach 理论统一。
• 对于 182W，EWT 方法得到的非弹性散射截面（尤其是第一激发态）显著高于广义透射系数方法，表明更强的通道耦合效应。
• EWT 方法导致 α 粒子发射角分布的各向异性更大，尤其在 (n,α₀) 反应中，与实验观察到的前向增强峰一致。
• CoH3 对 58Ni 上 (n,p)、(n,α)、(n,np) 和 (n,2n) 反应的预测与 ENDF/B-VII.1 和 JENDL-4.0 的评估数据以及实验测量结果具有良好一致性。
• 引入预平衡过程与 prompt 裂变中子发射显著提高了 MeV 能区总截面与微分截面的准确性。
• 通过 EWT 实现本征通道对角化的代码实现计算成本更高，但在标准 HF 近似失效的强形变体系中是必要的。