Статистические модели электронной эмиссии. Модель «Утолщенных траекторий»
|
1) розыгрыш пробега частицы в
соответствии с законом ослабления
,
где – полное сечение взаимодействия электрона с
веществом (см. формулу (1)) или полное сечение упругого рассеяния (см. формулу
(2)) – средний свободный
пробег частицы в материале объекта, – случайное число,
равномерно распределённое на отрезке [0,1];
2) вычисление координат точки
взаимодействия:
,
где – единичный вектор,
указывающий направление движения частицы;
3) проверка вылета частицы из объекта,
вычисление вклада частицы в плотность потока, угловые и энергетические
распределения частиц на границе объекта (регистрация частицы);
4) розыгрыш вида взаимодействия,
вероятность каждого из которых есть
,
где – сечение
взаимодействия k-го типа;
5) розыгрыш потери энергии частицы или
вычисление потери энергии по схеме непрерывного замедления:
;
6) розыгрыш полярного угла рассеяния
частицы в точке взаимодействия из распределения
,
где – дифференциальное
сечение рассеяния при k-м взаимодействии;
7) розыгрыш азимутального угла рассеяния
;
8) определение нового направления
движения рассеянной частицы в заданной системе
координат.
Модель индивидуальных
соударений (МИС) широко используется при моделировании нейтронных и фотонных
траекторий. Применение МИС для заряженных частиц связано с большими затратами
машинного времени, поскольку взаимодействие заряженных частиц обычно
сопровождается малыми углами рассеяния и небольшими передачами энергии, а также
очень большим числом соударений.
§4. Модель укрупнённых соударений (МУС)
Для описания движения
электронов в веществе широко используется модель укрупненных соударений (МУС)
[6]. При построении МУС предполагается, что на каждом из звеньев укрупненной
траектории частицы происходит большое число индивидуальных соударений.
Распределения углов рассеяния и потерь энергии в конце каждого из звеньев
траектории берутся из теории многократного рассеяния. Распределения этой теории
являются приближенными и имеют ограниченную область применимости. Длина звена
траектории не разыгрывается, а выбирается определенным образом в соответствии с
областью применимости теории многократных соударений. Чтобы избежать
систематических погрешностей, вычислительные схемы МУС приходится тщательно
сопоставлять с результатами расчетов по более детальной МИС.
Алгоритм построения i-го звена траектории электрона (рис.2) в МУС имеет
следующий вид:
1) выбор криволинейного шага траектории ;
2) розыгрыш угла многократного рассеяния
из распределения
Гоудсмита – Саундерсона:
где – дифференциальное
сечение упругого рассеяния, – полином Лежандра, – плотность атомов
среды;
3) вычисление или розыгрыш
прямолинейного шага траектории и радиального смещения
каким-либо
приближённым способом;
4) розыгрыш азимутального угла рассеяния
;
5) определение новых координат электрона
;
6) регистрация электрона, если он
вылетел из объекта;
7) розыгрыш потери энергии из
интегральных распределений Ландау, Блунка – Лейзеганга или вычисление энергии
электрона по схеме непрерывного
замедления;
8) определение нового направления
движения электрона в заданной системе
координат.
МУС значительно
экономичнее МИС по вычислительным затратам. Недостатком МУС является наличие в
расчётах систематической погрешности, обусловленной приближениями теории
многократного рассеяния и использованием приближённых формул для вычисления
прямолинейного шага траектории и радиального смещения
(см. рис.2).
§5. Модель утолщённых траекторий (МУТ)
В настоящей работе для описания
движения электронов в веществе предлагается модель утолщенных траекторий (МУТ)
[13]. Идея МУТ аналогична МУС, но в отличие от МУС в МУТ не используются
приближенные распределения теории многократных соударений. Вычислительная схема
МУТ аналогична МИС. В ней также сначала производится розыгрыш длины
прямолинейного участка траектории, а затем энергии и направления движения
рассеянной частицы. Все распределения, необходимые для розыгрышей, получают
заранее численно по МИС в задаче о рассеянии электронов, движущихся вдоль
трубки (рис.3), толщина которой является ключевым параметром модели. В этой
задаче вклад электрона в распределения на границе трубки вычисляется при
выполнении одного из трёх условий: 1) , где n – заданное целое число, – средний свободный
пробег электрона; 2) (электрон начал
движение в обратном направлении); 3) .
Таким образом, получают
1) функцию распределения электронов по координате и начальной энергии , 2) функцию распределения электронов по координате, косинусу
угла рассеяния и начальной энергии , 3) функцию распределения электронов по координате, конечной
энергии и начальной энергии или среднюю конечную
энергию электронов (для схемы
непрерывного замедления). Эти распределения
используются для розыгрышей всех необходимых величин в алгоритме построения i-го звена «утолщённой» траектории электрона (рис.4),
который имеет следующий вид:
1) розыгрыш пробега электрона ;
2) вычисление координат i-го узла траектории
;
3) розыгрыш энергии электрона в i-м узле траектории (для схемы
непрерывного замедления энергия электрона находится по таблице );
4) розыгрыш азимутального угла рассеяния
;
5) смещение i-го узла
траектории в поперечном направлении на полуширину траектории , проверка вылета электрона из объекта;
6) розыгрыш косинуса полярного угла
рассеяния ;
7) определение направления движения
рассеянного электрона в заданной системе
координат;
8) определение расстояния от i-го узла траектории до границ объекта в направлении
движения электрона . Если , то:
а) находится энергия
электрона, вылетевшего из объекта, также как в п.3; б) электрон регистрируется с
весом , равным вероятности прохождения электроном расстояния .
Рис.5
Рис.6
МУТ реализована на
многопроцессорной вычислительной системе с распределенной памятью МВС-15000. В
качестве примера рассмотрена модельная задача о прохождении плоскопараллельного
потока электронов с начальной энергией 2 МэВ через железную (Fe) пластину толщиной 0.5 мм.
Результаты расчетов по МУТ сравнивались с результатами расчетов, полученных с использованием
МИС. На рис.5 представлен график плотности распределения электронов, прошедших
пластину, по энергии, а на рис.6 – плотности распределения электронов по
косинусу полярного угла вылета из пластины. Кривые на графиках соответствуют
МИС, МУТ с полутолщиной траектории , МУТ с полутолщиной траектории , МУТ с полутолщиной траектории . Здесь полутолщина траектории измеряется в средних свободных
пробегах электрона в материале мишени. Отношение прошедшего пластину потока
электронов к падающему потоку равно 0,6.
На рис.5,6 видно, что
кривые практически не различимы. Существенное различие наблюдается во времени
расчётов. Время расчётов на 200 процессорах МВС-15000 приведено во втором
столбце следующей таблицы.
|
Среднее число звеньев траектории электрона |
Время счёта на 200 проц., мин. |
Время, затраченное на получение
распределений для МУТ в результате расчётов по МИС на 200 проц., мин. |
МИС |
3916.62 |
150 |
---- |
МУТ, n=10 |
31.15 |
3.15 |
190 |
МУТ, n=30 |
15.57 |
1.7 |
400 |
МУТ, n=100 |
7 |
0.85 |
830 |
Согласно таблице,
наблюдается почти линейная зависимость времени расчёта от среднего числа
звеньев траектории электрона в МУТ, указанного в первом столбце таблицы. Время
расчётов по МИС во много раз превышает время расчётов по МУТ. В третьем столбце
указано время, затраченное на получение распределений для МУТ в результате
предварительного расчета по МИС на 200 процессорах. Это время растёт с ростом
толщины «утолщённой» траектории и связано с ростом среднего числа
индивидуальных столкновений электронов на одном звене траектории в МУТ. График
зависимости среднего числа столкновений на одном звене траектории в МУТ от
энергии электрона для рассматриваемых толщин траекторий приведён на рис.7.
Кривая, отмеченная крестиком, соответствует МУТ с полутолщиной траектории , кривая с треугольником – МУТ с , кривая с кружочком – МУТ с .
Обращает на себя внимание
тот факт, что время, затраченное на получение распределений для МУТ, сравнимо
или превышает время расчётов по МИС (150 мин) и составляет значительную
величину даже на современном суперкомпьютере. Вместе с тем очевидно и
преимущество МУТ перед МИС, которое заключается в том, что трудоёмкий расчет
распределений для МУТ проводится только один раз для конкретного материала
(например, железа). В дальнейшем эти распределения в виде двумерных и
трёхмерных таблиц могут многократно использоваться при решении различных задач
переноса частиц в веществе.
Рис.7.
§6. Упрощённая инженерная модель электронной эмиссии из плоского
приграничного слоя объекта под действием ионизирующего излучения
Под действием
ионизирующего рентгеновского или γ-излучения на поверхности объектов
формируются потоки релятивистских электронов. Как правило, пробеги электронов в
материале объекта много меньше его размеров. Поэтому можно считать, что из
объекта вылетают электроны, образовавшиеся в его тонком приграничном слое. В
связи с этим можно упростить статистическую модель переноса электронов в
приграничном материале объекта, если заранее получить функцию распределения
вылетающих электронов по глубине рождения h, начальной
энергии E0, начальному направлению движения θ0, конечной энергии E и конечному
направлению движения θ (рис. 8).
Такую модель будем называть в дальнейшем «инженерной».
Функция распределения оказывается в этом
случае пятимерной и требует огромного количества памяти для хранения таблицы её
значений. Дальнейшим упрощением указанной инженерной модели является переход к распределениям вероятности вылета и средней энергии электрона, вылетающего
из объекта. При этом, пятимерная функция распределения заменяется на две
трёхмерные таблицы. Такое упрощение не дает возможности получить угловые
распределения электронов эмиссии, а также не учитывает разброс энергий этих
электронов, который тем больше, чем меньше вероятность вылета электрона.
Указанные таблицы
построены для железа в результате серии расчётов по МУТ.
Рис. 9
Рис. 10
На рис. 9 – 10 приведены
графики фрагмента таблиц, относящегося к электрону с энергией 1 МэВ,
образовавшегося на разных глубинах h от поверхности объекта. По оси
абсцисс отложен косинус угла между направлением движения электрона и внутренней
нормалью к поверхности объекта. По осям ординат отложены вероятность вылета из
объекта и средние потери энергии. Линия с разрывом соответствует нулевой
глубине h=0. Соседние кривые отвечают ближайшим
значениям параметра h, отличающимся друг от друга на 0,05
от максимального расстояния, которое может пройти электрон в железе, теряя
энергию в приближении непрерывного замедления.
Значительного улучшения
описанной простейшей инженерной модели удается добиться введением
искусственного среднеквадратичного отклонения (дисперсии):
, где - вероятность вылета
из объекта (весовой коэффициент электрона). Потери энергии электрона
разыгрываются при этом по формуле
,
где - функция ошибок, - обратная функция
ошибок. Предложенная аппроксимация энергетического распределения электронов не
следует из каких-либо априорных данных. Её применимость и работоспособность
проверяются эмпирически с помощью вычислительных экспериментов.
§7. Электронная эмиссия на границе объекта под действием ионизирующего
излучения
С использованием
рассмотренных моделей переноса электронов в веществе был построен алгоритм
статистического моделирования эмиссии электронов с граничных поверхностей
объектов, облучаемых ионизирующим излучением. В основу разработанного алгоритма
положен принцип максимальной информационной ценности фотонных траекторий с
точки зрения минимизации дисперсии получаемых статистических оценок
характеристик электронных потоков. Некоторые особенности построенного алгоритма
рассмотрены ниже.
Перенос фотонов излучения
в веществе хорошо описывается моделью индивидуальных соударений (МИС), которая
для многокомпонентных объектов сложной геометрии и внутренней структуры
реализована, например, в работе [9]. Рождением электронов сопровождается два
типа рассматриваемых взаимодействий фотонов излучения с веществом:
фотоэлектрическое поглощение и комптоновское рассеяние фотона.
При
комптоновском рассеянии фотона рождается электрон со следующими параметрами:
– кинетическая энергия электрона: , где и – энергии фотона до и
после рассеяния соответственно;
– полярный угол движения электрона в системе
координат, связанной с первоначальным движением фотона:
,
где – косинус угла
рассеяния фотона;
– азимутальный угол движения электрона: , где – азимутальный угол
рассеяния фотона;
При
фотоэлектрическом поглощении фотона рождается электрон со следующими
параметрами:
– кинетическая энергия электрона: , где – энергии фотона
до поглощения, – энергия связи
К-оболочки в атоме вещества;
– полярный угол движения электрона в системе
координат, связанной с первоначальным движением фотона, разыгрывается с
использованием углового распределения:
,
где v – скорость
электрона с энергией E, с
– скорость света;
– азимутальный угол движения электрона
разыгрывается по формуле:
.
Таким
образом, в узловой точке траектории фотона может родиться комптоновский или
фото-электрон. Пробег электрона много меньше размеров объекта, поэтому лишь
незначительная часть электронов, рождённых в тонком приграничном слое объекта,
даст сколько-нибудь заметный вклад в формирование электронного потока на его
границе. Следовательно, необходимо модифицировать алгоритм Монте-Карло, изменив
статистику рождения электронов.
Естественным шагом в этом направлении
является выделение «полезного» участка у границы объекта на продолжении каждого
звена траектории фотона. На рис. 11 таким полезным участком является
отрезок . Расстояние от любой точки отрезка до границы объекта не
превышает максимального расстояния d (определяемого
тормозной способностью электрона), которое может пройти электрон с известной
начальной энергией в приграничном материале объекта. Точку рождения электрона
можно разыгрывать на этом отрезке. Для этого используется условная плотность
распределения точек взаимодействия фотона на отрезке:
,
полученная в соответствии с законом
ослабления. Здесь μ –
коэффициент ослабления излучения в веществе, пропорциональный полному сечению
взаимодействия фотона. Можно считать, что в точке взаимодействия фотона
рождается два электрона, начальные веса которых имеют вид:
,
.
Здесь разность экспоненциальных
функций можно трактовать как вероятность взаимодействия фотона на отрезке , – вероятность
фотоэлектрического поглощения, – вероятность
комптоновского рассеяния фотона, – вес фотона до
взаимодействия.
Для анализа эффективности
рассмотренных статистических моделей переноса электронов проведены расчёты
электронных потоков, образующихся при облучении квадратной железной (Fe) пластины .
Схема вычислительного
эксперимента представлена на рис.12.
В расчетах использовался
точечный источник фотонов с энергией 500 кэВ и 100 кэВ. Расстояние от верхней
границы пластины до источника 100 см; диаметр пятна засветки на верхней грани
пластины – 5 см; детектор имеет размеры 2х2 см и расположен вплотную к нижней
грани пластины. Детектор измеряет энергию электронов.
Результатом расчетов
является нормированное энергетическое распределение электронов (фото- и
комптоновских), т.е. функция ,
причем .
На рис. 13, 14 изображены
графики спектральных зависимостей электронов, полученные при использовании трех
моделей: МУТ (на рисунках – MUT), инженерной модели без дисперсии (Ray1),
инженерной модели с дисперсией (Ray2) и результаты расчетов по MCNP [7],
использующей МУС.
Сравнительный анализ
результатов показывает, что инженерная модель без дисперсии дает
неудовлетворительный результат, в то время как использование этой же модели с
дисперсией позволяет получать спектры, близкие к результатам расчетов по МУТ и
MCNP.
Отметим, что первый
максимум спектра (около 25 кэВ при использовании фотонов с энергией 100 кэВ и
около 250 кэВ для источника с энергией 500 кэВ) обусловлен главным образом
комптоновскими электронами, а второй максимум (соответственно 90 и 490 кэВ) –
фотоэлектронами.
Приведем в заключение
оценки эффективности предложенных моделей. Расчеты по МУТ требуют примерно в
30-40 раз меньше времени, чем по MCNP, а по инженерной модели – примерно в 20
раз меньше, чем по МУТ при использовании одного и того же количества фотонных
историй.
|
Рис.13 Спектры электронов, инжектируемых с нижней
границы объекта |
|
|
Рис.14 Спектры электронов, инжектируемых с нижней
границы объекта |
Заключение. Построены статистические модели
переноса электронов, которые позволяют проводить эффективное моделирование
процессов транспорта электронов в веществе на современных многопроцессорных
вычислительных системах.
Литература
1.
Неразрушающий контроль. Россия. 1900-2000 гг.:
Справочник. Под ред. В.В.Клюева. – 2-ое изд., исправ. и доп. М.:
Машиностроение, 2002.
2.
С.Н. Ганага, Л.Н. Здуход, С.В. Пантелеев, Ю.В.
Парфенов, О.Ф. Тарасов, А.В. Шапранов, Электродинамическое действие
ионизирующих излучений // Физика ядерного взрыва под ред. В.М. Лоборева, т.2,
с. 107.
3.
Р.М. Шагалиев и др. Математическое моделирование и методики решения многомерных задач
переноса частиц и энергии, реализованные в комплексе САТУРН-3. // Вопросы
атомной науки и техники, серия: Матем. моделирование физических процессов.
1999, вып. 4, с. 20-26.
4.
Л.П. Басс, О.В. Николаева, В.С. Кузнецов, А.В.
Быков, А.В. Приезжев, А.А. Дергачев. Моделирование
распространения оптического излучения в фантоме биологической ткани на суперЭВМ
МВС1000/М. // Матем. моделирование. 2006, т.18, №1, с. 29-42.
5.
Т.А. Сушкевич. Математическое моделирование
переноса излучения. М., 2005, 661 с.
6.
А.Ф. Аккерман. Моделирование траекторий
заряженных частиц в веществе. М., 1991, 200 с.
7.
J.F.Briesmeister
(ed.). MCNP - A General Monte Carlo
N-Particle Transport Code. LANL Report LA-13709-M, Los Alamos, 2000.
8.
М.Е. Жуковский, С.В. Подоляко, М.В. Скачков,
Г.-Р. Йениш. О
моделировании экспериментов с проникающим излучением // Матем. моделирование.
2007, т.19, №1, с. 29-42.
9.
В.П.Загонов, М.Е.Жуковский, С.В.Подоляко,
М.В.Скачков, Г.-Р.Тиллак, К.Беллон. Применение поверхностно ориентированного
описания объектов для моделирования трансформации рентгеновского излучения в
задачах вычислительной диагностики. // Матем. моделирование. 2004, т.16, №5,
с.103-116.
10.
М.Е.
Жуковский, М.В. Скачков, А.А. Егорушкин. Модификации метода Монте-Карло в задачах
о трансформации ионизирующего излучения. Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН,
2005, № 85.
11.
Levis H.W. // Phys. Rev. 1950, Vol. 78, № 3, p. 526-533.
12.
Spencer L.V. // Ibid. 1955, Vol. 98, № 6, p.
1597-1611.
13.
М.В.
Скачков. Модель «утолщенных траекторий» для описания движения электронов в
веществе и ее реализация на МВС-5000М. Международный семинар
«Супервычисления и математическое
моделирование». Саров, 2006, с. 91-92.