离子输运蒙特卡罗模拟的步长选取.pdf

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1、第31卷第4期计算物理Vo1．31．No．42014年7月CHINESEJOURNALOFCOMPUTATIONALPHYSICSJu1．．2014文章编号：1001—246X(2014)04-04174)7离子输运蒙特卡罗模拟的步长选取杨鑫，王冠博，李润东，刘汉刚，王侃(1．核物理与化学研究所，l~lJll绵阳621900；2．清华大学工程物理系，北京100084)摘要：介绍带电离子在物质中输运模拟的详细历史法，开发模拟程序ITR(ionstransportandreaction)，同时实现抽取离子飞行步长的基本方法和脉冲近似法，计算结果与CORTE

2、O及TRIM程序的结果比较符合很好．讨论两种步长选取方法，对脉冲近似法的最大步长进行限制，分析CORTEO程序与TRIM程序计算结果差别的主要原因．ITR同时具有TRIM和CORTEO的优点，采用脉冲近似法减少需要计算的核碰撞次数，通过索引(Index)方法对散射角的计算进行加速，计算效率大幅提高．关键词：ITR；离子输运；详细历史法；蒙特卡罗中图分类号：TL99文献标志码：A0引言在离子束分析技术、中子深度分析技术⋯、材料辐照损伤等研究中，：带电离子在物质中输运过程的模拟是关键问题．国际上，带电离子“详细历史法”(detailedhistory)是研

3、究热门，不断有新的程序出现，如SRIM，SIMNRA，CORTEO等．其中，SRIM是由Ziegler等人开发的一套计算带电离子在物质中的阻止本领与输运过程的蒙卡模拟程序，采用ZBL(Ziegler-Biersack—Littmark)理论，TRIM是其中的离子输运计算模块，是目前公认的标准的详细历史计算程序．CORTEO程序是加拿大蒙特利尔大学FrancoisSchiettekatte开发的一个离子输运快速模拟程序，理论基础与TRIM程序相同，但其将散射角提前计算并以列表形式储存，需要时通过索引(index)得到，而非每一次都直接计算，在对计算精度影

4、响很小的情况下提高了计算效率．本文根据详细历史法的原理，开发离子输运模拟程序ITR(ionstransportandreaction)，研究抽取离子飞行步长的基本方法和脉冲近似法，对两者的联系和区别进行讨论．同时，引入索引(Index)方法对核碰撞散射角的获取进行加速，计算效率大幅提高．1详细历史法当一个带电离子在固体中穿行时，其能量损失可以分为两部分，一部分是靶原子核做反冲运动的能量，用核阻止本领(一dE／dx)表示；另一部分是激发或电离靶原子核外电子的能量，用电子阻止本领(一dE／dx)表示．通常可以近似地认为这两种能量损失过程是独立的．核阻止是造

5、成离子运动轨迹偏转的主要原因，电子阻止对离子能量的损失贡献更大．1．1核阻止1．1．1势函数原子问受引力和斥力的耦合作用，斥力势的描述很复杂，原子间斥力一部分是由于两原子电子云重叠引起的，另一部分是带正电的原子核之间的斥力．根据原子间距离r的不同，描述原子问作用力的势函数有多种表达方式：当r稍小于点阵内原子平衡间距时，用Born—Mayer势来表示．当两个核距离非常近，可以用库仑势表示．当介于两者之问时，描述起来要复杂得多．一般用屏蔽库仑势来描述．收稿日期：2012—11—27；修回日期：2013一O5—17基金项目：中国工程物理研究院科学技术发展基金

6、(2010B0103009)及国家自然科学基金(11175162)资助项目作者简介：杨鑫(1988一)，男，贵州，博士生，主要从事反应堆物理及应用研究，E-mail：yangxO5@126．com418计算物理第31卷(r)=—(r／a)(1)r其中，z，z为原子序数，e为单位电荷，(r／a)称为屏蔽函数，o是屏蔽半径．关于屏蔽函数与屏蔽半径，有多种表示方式，其中以普适势(universa1)最为精确，它是1982年Ziegler和Biersack等人总结前人工作的基础上提出理论模型，并拟合500多对离子和靶的组合进行系数修正得来的，与实验偏差不超过5

7、％，形式如下u()=0．1818exp(一3．2)+0．5099exp(一0．9423x)+0．2802exp(一0．4029x)+0．02817exp(一0．2016x)，(2)n=0．8854a。[。+]，(3)其中是约化半径，=r／a，口。为Bohr半径．1．1．2碰撞过程离子与靶核发生碰撞的过程用经典力学的二体碰撞理论描述．在质心系内碰撞，取P为碰撞参数．体系满足能量守恒和角动量守恒，可以得到在质心系中，入射核的散射角为(4)=币，其中r为两核之间的距离，rmin为其最小值，E为质心系动能．入射离子能量为E。，于是，传递给靶的能量可以表达为4E

8、oMLM2T=—(M—l—+M2)in(9／2)=TE0sin(。／2)，(5)其中7=(4M