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利用GEANT4和TALYS研究中子与铁作用的次级中子双微分截面

刘丙岩 陈志强 韩瑞 张鑫 田国玉 石福栋 孙慧

刘丙岩, 陈志强, 韩瑞, 张鑫, 田国玉, 石福栋, 孙慧. 利用GEANT4和TALYS研究中子与铁作用的次级中子双微分截面[J]. 原子核物理评论, 2020, 37(1): 104-108. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019061
引用本文: 刘丙岩, 陈志强, 韩瑞, 张鑫, 田国玉, 石福栋, 孙慧. 利用GEANT4和TALYS研究中子与铁作用的次级中子双微分截面[J]. 原子核物理评论, 2020, 37(1): 104-108. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019061
Bingyan LIU, Zhiqiang CHEN, Rui HAN, Xin ZHANG, Guoyu TIAN, Fudong SHI, Hui SUN. Calculation of Secondary Neutron Double Differential Cross Sections for Neutron Induced Reactions on Fe with GEANT4 and TALYS[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(1): 104-108. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019061
Citation: Bingyan LIU, Zhiqiang CHEN, Rui HAN, Xin ZHANG, Guoyu TIAN, Fudong SHI, Hui SUN. Calculation of Secondary Neutron Double Differential Cross Sections for Neutron Induced Reactions on Fe with GEANT4 and TALYS[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(1): 104-108. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019061

利用GEANT4和TALYS研究中子与铁作用的次级中子双微分截面

doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019061
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(11875298);国家自然科学基金委员会-中国科学院大科学装置科学研究联合基金资助项目(U1832205)
详细信息
    作者简介:

    刘丙岩(1993–),男,河北邢台人,博士研究生,从事中子物理研究;E-mail:liubingyan@impcas.ac.cn

    通讯作者: 陈志强,E-mail:zqchen@impcas.ac.cn
  • 中图分类号: O571.55

Calculation of Secondary Neutron Double Differential Cross Sections for Neutron Induced Reactions on Fe with GEANT4 and TALYS

Funds: National Natural Science Foundation of China (11875298); Joint Large-Scale Scientific Facility Funds of NSFC and CAS (U1832205)
More Information
  • 摘要: 铁的次级中子双微分截面对核装置的设计、运行与维护具有重要作用。相关实验数据缺乏,且评价数据不完善,需要使用可靠的核理论模型进行计算。本工作利用GEANT4程序结合不同的中子评价数据计算了8.17, 11.5, 14.1和18 MeV等入射能量下中子轰击薄铁靶不同出射角度的次级中子双微分截面;同时利用TALYS程序和GEANT4程序结合BIC、BERT和INCLXX模型计算了25.7, 65, 100和150 MeV等入射能量下中子轰击薄铁靶不同出射角度的次级中子双微分截面,并与实验数据进行对比。研究表明,在20 MeV以下能区,ENDF/B-VIII.0库的计算结果与实验数据符合较好,BROND-3.1、CENDL-3.1、JENDL-4.0u和JEFF-3.3库的计算结果与实验数据存在差异。在20~150 MeV能区,GEANT4程序的BERT模型和TALYS程序的计算结果与实验数据符合较好,INCLXX模型和BIC模型的计算结果与实验数据存在分歧。整体来看,需要对铁的中子评价数据和核反应理论模型做进一步研究。
  • 图  1  (在线彩图) Geant4程序结合不同数据库对8.17 MeV中子轰击天然铁靶的次级中子双微分截面计算结果与实验数据的对比

    图  2  (在线彩图)同图1,但中子的入射能量为11.5 MeV

    图  3  (在线彩图)同图1,但中子的入射能量为14.1 MeV

    图  4  (在线彩图)同图1,但中子的入射能量为18 MeV

    图  5  (在线彩图)TALYS程序和GEANT4程序结合不同理论模型对25.7 MeV中子轰击56Fe靶的次级中子双微分截面计算结果与实验数据的对比

    图  6  (在线彩图)同图5,但为65 MeV中子轰击天然铁靶

    图  7  (在线彩图)同图5,但为100 MeV中子轰击天然铁靶

    图  8  (在线彩图)同图5,但为150 MeV中子轰击天然铁靶

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-29
  • 修回日期:  2019-12-30
  • 刊出日期:  2020-03-01

利用GEANT4和TALYS研究中子与铁作用的次级中子双微分截面

doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019061
    基金项目:  国家自然科学基金资助项目(11875298);国家自然科学基金委员会-中国科学院大科学装置科学研究联合基金资助项目(U1832205)
    作者简介:

    刘丙岩(1993–),男,河北邢台人,博士研究生,从事中子物理研究;E-mail:liubingyan@impcas.ac.cn

    通讯作者: 陈志强,E-mail:zqchen@impcas.ac.cn
  • 中图分类号: O571.55

摘要: 铁的次级中子双微分截面对核装置的设计、运行与维护具有重要作用。相关实验数据缺乏,且评价数据不完善,需要使用可靠的核理论模型进行计算。本工作利用GEANT4程序结合不同的中子评价数据计算了8.17, 11.5, 14.1和18 MeV等入射能量下中子轰击薄铁靶不同出射角度的次级中子双微分截面;同时利用TALYS程序和GEANT4程序结合BIC、BERT和INCLXX模型计算了25.7, 65, 100和150 MeV等入射能量下中子轰击薄铁靶不同出射角度的次级中子双微分截面,并与实验数据进行对比。研究表明,在20 MeV以下能区,ENDF/B-VIII.0库的计算结果与实验数据符合较好,BROND-3.1、CENDL-3.1、JENDL-4.0u和JEFF-3.3库的计算结果与实验数据存在差异。在20~150 MeV能区,GEANT4程序的BERT模型和TALYS程序的计算结果与实验数据符合较好,INCLXX模型和BIC模型的计算结果与实验数据存在分歧。整体来看,需要对铁的中子评价数据和核反应理论模型做进一步研究。

English Abstract

刘丙岩, 陈志强, 韩瑞, 张鑫, 田国玉, 石福栋, 孙慧. 利用GEANT4和TALYS研究中子与铁作用的次级中子双微分截面[J]. 原子核物理评论, 2020, 37(1): 104-108. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019061
引用本文: 刘丙岩, 陈志强, 韩瑞, 张鑫, 田国玉, 石福栋, 孙慧. 利用GEANT4和TALYS研究中子与铁作用的次级中子双微分截面[J]. 原子核物理评论, 2020, 37(1): 104-108. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019061
Bingyan LIU, Zhiqiang CHEN, Rui HAN, Xin ZHANG, Guoyu TIAN, Fudong SHI, Hui SUN. Calculation of Secondary Neutron Double Differential Cross Sections for Neutron Induced Reactions on Fe with GEANT4 and TALYS[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(1): 104-108. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019061
Citation: Bingyan LIU, Zhiqiang CHEN, Rui HAN, Xin ZHANG, Guoyu TIAN, Fudong SHI, Hui SUN. Calculation of Secondary Neutron Double Differential Cross Sections for Neutron Induced Reactions on Fe with GEANT4 and TALYS[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(1): 104-108. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019061
    • 高能强流加速器、快中子反应堆及加速器驱动次临界系统等新一代核装置在核物理、核医学、天体物理及清洁能源等方面的应用,引起了人们的广泛关注[1-2]。这对关键核素的截面数据和理论模型提出了更高的要求与挑战。铁作为重要的结构材料和屏蔽材料,在加速器和反应堆中被广泛使用。次级中子双微分截面是核反应理论模型开发、核数据评价、核设施设计及辐射防护中的关键基础数据。因此,研究铁的次级中子双微分截面具有重要意义。目前,在20 MeV以下能区,国际上已开展了较多的实验测量和数据评价工作,并建立了中子评价数据库,如俄罗斯的BROND-3.1[3]、中国的CENDL-3.1[4],美国的ENDF/B-VIII.0[5]、欧洲的JEFF-3.3[6]和日本的JENDL-4.0u[7]等。在20 MeV以上能区,实验数据相对缺乏,需要结合理论模型开展相关研究。但是,在使用这些中子评价数据库和理论模型前需要对其可靠性进行检验。在核装置设计及理论模型开发中,GEANT4[8]、PHITS[9]、MCNP[10]及TALYS[11]等程序的计算结果具有重要的指导意义。GEANT4和TALYS程序因其开放性、可靠性和灵活性受到了越来越多科研工作者的青睐。

      本文利用GEANT4和TALYS程序结合不同的中子评价数据与理论模型,分别计算了150 MeV及以下中子与薄铁靶作用的次级中子双微分截面,并将计算结果与实验数据进行了对比。

    • GEANT4是由欧洲核子中心主导开发的一款基于C++语言的蒙特卡罗模拟软件,主要用于模拟粒子与物质的相互作用和输运过程,在核物理、核医学、加速器等领域具有广泛的应用。GEANT4程序中包含多种描述粒子与物质相互作用的强子物理模型,可根据需要选择不同的数据库和物理模型或将不同物理过程结合使用。本文在计算中采用了GEANT4 10.04提供的基于Bertini核内级联模型的BERT模型、基于Binary Cascade核内级联模型的BIC模型以及基于Liège核内级联模型的INCL++模型,这些模型可用于计算几十MeV至几百MeV中子参与的核反应。在GEANT4程序计算中所建立的几何构型与实验一致。

    • TALYS是由Koning等[11]开发的一款用于计算核反应的免费软件,适用于计算1 keV~200 MeV范围$ \gamma $, n, p, $ \alpha $等粒子诱发的核反应。该程序包含了多种核反应理论模型,可计算的物理量包括全截面、各个反应道截面、出射粒子双微分截面、剩余核产生截面等。计算中可根据需要对理论模型的参数进行调整。TALYS程序在核物理、核医学及天体物理等领域具有广泛的应用。

    • 核数据根据其来源可分为实验数据和评价数据。本文采用的实验数据来自EXFOR数据库[12]。EXFOR数据库中包含大量的中子、带电粒子和光子诱发的核反应数据。评价数据是通过对实验数据进行分析与评价,并结合理论计算得到的。国际上主要的中子评价库有美国的ENDF/B、日本的JENDL、欧洲的JEFF、俄罗斯的BROND及中国的CENDL等。此外还有一些用于聚变堆设计、加速器驱动次临界系统设计等的专用数据库。

    • 本文首先检验了中子评价数据的可靠性。利用GEANT4程序结合不同的中子评价数据分别计算了8.17, 11.5, 14.1和18 MeV中子轰击薄铁靶不同出射角度的次级中子双微分截面,并与Ruan等[13]、Soda等[14]和Vilaithong等[15]等的实验数据进行了比较。

      图1给出了8.17 MeV中子轰击天然铁靶不同出射角度次级中子双微分截面的计算结果与Ruan等[13]的实验数据的比较。由图可见,计算结果基本能够再现实验数据。在能量低于3.4 MeV时五家评价数据库给出的计算结果略低于实验数据。在30°, 95°, 115°和150°方向能量大于6.5 MeV时,计算结果略低于实验数据。在65°方向弹性散射峰的计算结果高于实验数据。

      图  1  (在线彩图) Geant4程序结合不同数据库对8.17 MeV中子轰击天然铁靶的次级中子双微分截面计算结果与实验数据的对比

      图2给出了11.5 MeV中子轰击天然铁靶不同出射角度次级中子双微分截面的计算结果与Soda等[14]的实验数据的比较。由图可见,计算结果基本能够再现实验数据。在7 MeV附近,JENDL-4.0u库的计算结果高于实验数据;在30°方向的8 MeV附近,JENDL-4.0u库的计算结果低于实验数据。

      图  2  (在线彩图)同图1,但中子的入射能量为11.5 MeV

      图3给出了14.1 MeV中子轰击天然铁靶不同出射角度次级中子双微分截面的计算结果与Vilaithong等[15]的实验数据的比较。由图可见,计算结果基本能够再现实验数据。在小于7 MeV时,五家评价数据库的计算结果均低于实验数据;在30°, 60°和90°方向的10.5 MeV附近,JENDL-4.0u库的计算结果略低于实验数据。在120°和150°方向的9 MeV附近,JENDL-4.0u库的计算结果略高于实验数据。

      图  3  (在线彩图)同图1,但中子的入射能量为14.1 MeV

      图4给出了18 MeV中子轰击天然铁靶不同出射角度次级中子双微分截面的计算结果与Soda等[14]的实验数据的比较。由图可见,计算结果基本能够再现实验数据。在4~7 MeV范围内,BROND-3.1库的计算结果低于实验数据;在7~12 MeV范围内,JEFF-3.3库的计算结果低于实验数据;在14~15 MeV范围内,JENDL-4.0u库在30°, 60°和90°方向的计算结果低于实验数据。

      图  4  (在线彩图)同图1,但中子的入射能量为18 MeV

      整体上,在20 MeV以下能区,ENDF/B-VIII.0库的计算结果与实验数据符合较好。BROND-3.1、CENDL-3.1、JEFF-3.3和JEDNL-4.0u库的计算结果与实验数据存在差异。56Fe在天然铁中的占比为91.75%,56Fe的第一激发态和第二激发态对应能量分别为847和2 085 keV,且在3~6 MeV之间存在较密集的激发态。计算结果与实验数据存在差异的能区与弹性散射峰对应能量减去56Fe激发能得到的能区相符合。因此,铁的非弹性散射截面数据还需要进一步研究。

    • 目前,各中子评价数据库的能量范围集中在20 MeV以下,对于更高能量中子诱发的核反应,实验数据缺乏,需要采用理论模型进行相互校验。本文利用TALYS程序和GEANT4程序结合BIC、BERT和INCLXX等理论模型分别计算了25.7, 65, 100和150 MeV中子轰击薄铁靶不同出射角度的次级中子双微分截面,TALYS程序在计算中使用默认的参数值,未考虑实验中实际的能量分辨,并将计算结果与Marcinkowski等[16]、Hjort等[17]、Kunieda等[18]及Hiroyuki[19]等的实验数据进行了比较。

      图5给出了25.7 MeV中子轰击56Fe靶不同出射角度次级中子双微分截面的计算结果与Marcinkowski等[16]的实验数据的比较。由图可见,在小于22 MeV时,BIC模型的计算结果低于实验数据,BERT模型在24.7°, 44.7°, 64.5°, 125°和140°方向的计算结果略低于实验数据。INCLXX模型在24.7°和44.7°方向的计算结果与实验数据符合较好,但随着中子出射角度的增大,INCLXX模型的计算结果明显低于实验数据。

      图  5  (在线彩图)TALYS程序和GEANT4程序结合不同理论模型对25.7 MeV中子轰击56Fe靶的次级中子双微分截面计算结果与实验数据的对比

      图6给出了65 MeV中子轰击天然铁靶不同出射角度次级中子双微分截面的计算结果与Hjort等[17]的实验数据的比较。由图可见,在55~60 MeV能量范围内,GEANT4 3种模型的计算结果均低于实验数据,在21°, 24°及28°方向弹性散射峰附近,GEANT4 3种模型的计算结果低于实验数据。

      图  6  (在线彩图)同图5,但为65 MeV中子轰击天然铁靶

      图7给出了100 MeV中子轰击天然铁靶不同出射角度次级中子双微分截面的计算结果与Kunieda等[18]的实验数据的比较。由图可见,在15°, 120°和150°方向,BERT模型、INCLXX模型和TALYS程序的计算结果与实验数据符合得较好。在15~45 MeV范围内,BIC模型在120°和150°方向的计算结果高于实验数据。

      图  7  (在线彩图)同图5,但为100 MeV中子轰击天然铁靶

      图8给出了150 MeV中子轰击天然铁靶不同出射角度次级中子双微分截面的计算结果与Hiroyuki等[19]的实验数据的比较。由图可见,计算结果基本能够再现实验数据。在15~40 MeV范围内,BIC模型在120°和150°方向的计算结果高于实验数据。

      图  8  (在线彩图)同图5,但为150 MeV中子轰击天然铁靶

      整体上,GEANT4程序的BERT模型和TALYS程序的计算结果与实验数据符合较好,INCLXX模型在25.7 MeV时大角度方向的计算结果显著低于实验数据,BIC模型在100 和150 MeV时大角度方向低能部分的计算结果显著高于实验数据。这主要是由于高能中子的探测效率降低、能量分辨率变差及核反应理论模型不完善造成的。

    • 本文利用GEANT4程序计算了8.17, 11.5, 14.1, 18, 25.7, 65, 100及150 MeV中子轰击铁靶不同出射角度的次级中子双微分截面,同时利用TALYS程序计算了25.7, 65, 100及150 MeV中子轰击铁靶不同出射角度的次级中子双微分截面,并与实验数据进行了比较。检验了各家评价数据库和理论模型的可靠性。研究表明,在20 MeV以下能区,ENDF/B-VIII.0库的计算结果与实验数据符合较好,BROND-3.1、CENDL-3.1、JENDL-4.0u和JEFF-3.3库的计算结果与实验数据存在差异。在20~150 MeV能区,GEANT4程序的BERT模型和TALYS程序的计算结果与实验数据符合较好,INCLXX模型和BIC模型的计算结果与实验数据存在分歧。整体来看,需要对铁的中子评价数据和核反应理论模型做进一步研究。

参考文献 (19)

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