Метод 3D-моделирования прохождения гамма-квантов и электронов через вещество и его применение в физических экспериментах

• Автор: Багаев, Кирилл Александрович
• Шифр специальности: 01.04.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 187 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГАММА-КВАНТОВ С ВЕЩЕСТВОМ И
ПРОЦЕССОВ АТОМНОЙ РЕЛАКСАЦИИ
1.1. Процессы взаимодействия
1.2. Когерентное рассеяние гамма-квантов
1.2.1. База данных
1.2.2. Моделирование процесса
1.2.3. Результаты
1.3. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ ГАММА-КВАНТОВ
1.3.1. База данных
1.3.2. Моделирование процесса
1.4. НЕКОГЕРЕНТНОЕ РАССЕЯНИЕ ГАММА-КВАНТОВ
1.4.1. База данных
1.4.2. Моделирование процесса
1.4.3. Результаты
1.5. Процесс рождения пар
1.5.1. База данных
1.5.2. Моделирование процесса
1.6. Алгоритм розыгрыша транспорта гамма-квантов в веществе
1.7. Атомная релаксация
1.7.1. База данных
1.7.2. Алгоритм генерагщи релаксационного каскада
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОНОВ И ПОЗИТРОНОВ С
ВЕЩЕСТВОМ
2.1. ТОРМОЗНАЯ способность электронов и позитронов
2.1.1. Радиационная тормозная способность электронов и позитронов
2.1.2. Столкновительная тормозная способность электронов и позитронов
2.1.3. Полная тормозная способность электронов. Тормозная способность для смесей
2.2. Пробеги электронов и позитронов
2.3. Разделение процессов взаимодействия электронов и позитронов на «мягкие» и «жёсткие»
2.4. Моделирование «жёсткого» тормозного излучения электронов и позитронов
2.4.1. Масштабированное дифференциальное сечение энергетических потерь электрона
2.4.2. Угловое распределение тормозных гамма-квантов
2.4.3. Алгоритм розыгрыш «жёстких» радиационных потерь энергий
2.4.4. Алгоритм розыгрыша углового распределения налетающих электронов и тормозных гамма-
квантов
2.5. Аннигиляция позитронов
2.6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЖЁСТКОГО НЕУПРУГОГО РАССЕЯНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ И ПОЗИТРОНОВ
2.6.1. Введение
2.6.2. Алгоритм моделирования
2.7. Моделирование «жёсткого» упругого рассеяния и генерация угла многократного рассеяния
2.7.1. Однократное рассеяние
2.7.2. Многократное рассеяние
2.8. Алгоритм розыгрыша транспорта электронов и позитронов в веществе
ГЛАВА 3. КОНСТРУИРОВАНИЕ РАСЧЁТНОЙ МОДЕЛИ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ
ВЫЧИСЛЕНИЯ
3.1. Принципы построения геометрической модели
3.2. Элементы и поверхности модели
3.3. реализация геометрических преобразований
3.4. ОБОБЩЁННЫЙ АЛГОРИТМ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТА ЧАСТИЦ
3.5. Геометрические примитивы
3.5.1. Геометрический примитив «Многоугольник»
3.5.2. Геометрический примитив «Диск»
3.5.3. Геометрический примитив « Треугольник»

3.5.4. Геометрический примитив «Прямоугольник»
3.5.5. Геометрический примитив «Параллелепипед»
3.5.6. Геометрический примитив «Фигура-сдвиг»
3.5.1. Геометрический примитив «Цилиндр»
3.5.8. Геометрический примитив «Конус»
3.5.9. Геометрический примитив «Фигура вращения»
3.5.10. Геометрический примитив «сфера»
3.5.11. Геометрический примитив «Тор»
ГЛАВА 4. ГЕНЕРАЦИЯ И ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЙ В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ
«МСС 3D»
4.1. МОНОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК
4.2. ИСТОЧНИК С ЛИНЕЙЧАТЫМ СПЕКТРОМ
4.3. ИСТОЧНИК С НЕПРЕРЫВНЫМ СПЕКТРОМ
4.4. КАСКАДНЫЙ (КОМБИНИРОВАННЫЙ) ИСТОЧНИК
4.4.1. Формальное описание комбинированного источника
4.4.2. Алгоритм формирования файла комбинированного источника
4.4.3. Генерация частиц на основе комбинированного источника
4.5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЯЖЁЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ С ВЕЩЕСТВОМ
4.5.1. База данных
4.5.2. Алгоритм моделирования транспорта тяжёлых частиц в веществе
4.6. ФОРМА И ПОЛОЖЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
4.7. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ «МСС 3D»
4.7.1. Введение
4.7.2. «Реальные» детекторы
4.7.3. «Идеальные» детекторы
4.7.4. Многодетекторные системы
4.7.5. Регистрация на совпадение и антисовпадение
ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА «МСС 3D» И
СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ С ЭКСПЕРИМЕНТОМ
5.1. ОПТИМИЗАЦИЯ РАСЧЁТОВ
5.1.1. Оптимизация схемы расчёта
5.1.2. Использование нескольких процессоров
5.2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ «МСС 3D» В КАЧЕСТВЕ СПРАВОЧНИКА ПО СПЕКТРАМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И ПРОБЕГАМ ЧАСТИЦ
5.3. РАСЧЁТ ФУНКЦИИ ОТКЛИКА СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ ОТ ОБЪЁМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ГАММА-КВАНТОВ
5.4. РАСЧЁТ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРОГРАММНЫМ
КОМПЛЕКСОМ «МСС 3D»
5.5. РАСЧЁТ КОЭФФИЦИЕНТОВ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ МИШЕНЕЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ГАММА-КВАНТОВ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Список иллюстраций
Рис. 1.1: Сечения взаимодействия гамма-квантов с атомами Аи от энергии, приведённые в базе
ДАННЫХ ЕРОЬ97 [14]
Рис. 1.2: Форм-факторы когерентного рассеяния гамма-квантов для золота и алюминия, приведённые
В БАЗЕ ДАННЫХ ЕРОЬ97 [14]
Рис. 1.3: Угловое распределение гамма-квантов после когерентного рассеяния на Аь, вычисленное
программным комплексом «МСС ЗБ» [81]
Рис. 1.4: Полные сечения фотоионизации для атомов бериллия, меди и свинца, приведённые в базе
ДАННЫХ ЕРОЬ97[ 14]
Рис. 1.5: Спектры рассеянных гамма-квантов с энергией 50 кэВ, вычисленные программным
комплексом «МСС 3 О» [81 ] на атомах : 1 - Аь
Рис. 1.6: Спектры рассеянных гамма-квантов с энергией 500 кэВ, вычисленные программным
комплексом «МСС 30» [81 ] на атомах: 1 - Аь
Рис. 1.7: Структура данных базы данных ЕАОЬ [55]. Информация о релаксационном каскаде для
атома Ъ
Рис. 1.8: Алгоритм генерации релаксационного каскада в комплексе «МСС 30» [81]
Рис. 2.1: Средние потери энергии электроном на тормозное излучение в золоте и алюминии, получены
на основе базы данных ЕЕОЬ [54]
Рис. 2.2: Радиационные тормозные способности в Аь и Аи, полученные на основе базы данных ЕЕОЬ
[54] и из справочника МКРЕ 37 [16]
Рис. 2.3: Сравнение радиационных тормозных способностей электронов и позитронов, полученные на
основе базы данных ЕЕОЬ [54] и приближения Кима [27], [53]
рис. 2.4: Средние потери энергии электроном на возбуждение оболочек в Аь и Аи, и соответствующая
тормозная способность, полученные на основе базы ДАННЫХ ЕЕОЬ [54]
Рис. 2.5: Ионизационная тормозная способность электронов на Аь и Аи, вычисленная на основе
данных ЕЕОЬ [54]
Рис. 2.6: Столкновительные тормозные способности электронов в Аи и Аь, вычисленные на основе
данных ЕЕОЬ [54] и приведённые в справочнике МКРЕ 37 [16]
Рис. 2.7: Отношение столкновительных тормозных способностей позитронов к тормозным
способностям электронов, из справочника МКРЕ 3 7 [ 16]
Рис. 2.8: полная тормозная способность электронов и позитронов в Аь и Аи, вычисленные на основе
данных ЕЕР1. [54] и приведённые в справочнике МКРЕ 37 [16]
Рис. 2.9 Полные пробеги электронов в Аь и Аи, вычисленные на основе данных ЕЕОЬ [54] и
приведённые в справочнике МКРЕ 37 [16]
Рис. 2.10: Сравнение полных пробегов электронов и позитронов в Аь и Аи, вычисленных на основе
данных ЕЕОЬ [54]
Рис. 2.11: Полное количество взаимодействий и число жёстких взаимодействий электронов в Аё,
рассчитанное на основе данных ЕЕОЬ [54]
Рис. 2.12: Полное количество упругих (левый график) и неупругих (правый график) взаимодействий электронов в Аь, а также число жёстких взаимодействий для порогов 10 и 20 градусов; 500ЭВ и 1000 эВ. Результаты получены на основе данных ЕЕОЬ [54]

Алгоритм:
1. Моделирование номера «активной» оболочки — г. Производится на основе парциальных вероятностей реализации оболочки.
2. Сопоставление электрону новой энергии. Если i - «внешняя» оболочка, то вылетающему электрону присваивается исходная энергия гамма-кванта Ее1 = Еу. Если оболочка «внутренняя», то
учитывается энергия связи на этой оболочке — С,.. В результате электрон приобретает энергию Ed=Er-Ui. Также на оболочке i образуется вакансия, что приводит в дальнейшем к розыгрышу процесса атомной релаксации.
Отметим, что предложенный подход позволяет не ограничиваться рассмотрением только К и L оболочек, как это сделано, например, в «PENELOPE» [1]. Степень детализации рассмотрения фотоэффекта задаётся пользователем с помощью пороговой энергии релаксации.
1.4. Некогерентное рассеяние гамма-квантов.
В процессе некогерентного (комптоновского) рассеяния гамма-кванта на атоме происходит ионизация атома. Из него испускается атомный электрон с энергией Ее, гамма-квант изменяет энергию с Е на Е и претерпевает угловое рассеяние. Энергия вылетающего электрона определяется соотношением Ее=Е-Е -£/, >0. В этой формуле Ui - энергия ионизации /-ой оболочки.
Таким образом, атом остаётся в возбуждённом состоянии с вакансией на /-ой оболочке. Если пренебречь энергией связи и импульсным распределением электронов на атомной оболочке (случай рассеяния на свободном электроне) законы сохранения энергии и импульса приводят к простому соотношению между энергией рассеянного гамма-кванта Е и углом рассеяния 9.