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质子打薄靶的角度和能量歧离的蒙特卡罗模拟

作　者: 杨海芳
导　师: 马玉刚
学　校: 吉林大学
专　业: 粒子物理与原子核物理
关键词: 蒙特卡罗模拟 角度歧离 能量歧离 GEANT4
分类号: O571
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


卢瑟福背散射是指单能重带电粒子束入射到靶材料时,极小部分带电粒子与靶原子核发生的大角度散射现象。由此发展的背散射分析技术,现已成为一种十分成熟的分析手段,广泛应用于固体表面元素分析和杂质含量分析等技术中。由于碰撞过程的统计涨落,单能带电粒子束在介质中穿过一定厚度后的运动方向和能量将不再是确定值,带电粒子产生角度歧离与能量歧离。角度歧离和能量歧离在背散射分析技术中是一个重要参量,它的大小严重影响背散射分析技术的分辨率等方面,在离子注入、高能质子照相和重离子肿瘤治疗等方面,也是不可忽略的参量。有早期的Highland理论和Bohr理论描述角度歧离和能量歧离,定性分析尚属可行,但是定量分析有时偏差较大。Monte Carlo方法能逼真描述随机事件并模拟实验过程。该方法已被广泛地应用到各种核实验模拟中,它是一种随机抽样过程,利用已知反应截面数据,模拟各种微观物理过程,通过概率抽样对源粒子的行为进行跟踪,决定每次碰撞后次级粒子的运动方向和速度,根据需要对相应的物理量进行统计,逐次跟踪下去,即可得到所需要的结果。GEANT4是由欧洲核子中心(CERN)联合日本高能物理中心(KEK)等二十多家单位联合开发以面向对象为特点的大型蒙特卡罗程序包。GEANT4面世以来,由于其面向对象的优越性,应用范围非常广泛。本文主要运用蒙特卡罗方法进行了下面的模拟计算工作:模拟入射质子能量为1～10MeV,靶材料为铍、铝、铜、钽和铅等取不同厚度时,透射质子的角度歧离与能量歧离,研究角度歧离和能量歧离与入射质子能量、靶物质原子序数及厚度的关系。结论如下:①角度歧离主要是与入射质子能量和靶材料和厚度相关。相同靶材料,入射质子能量越高,角度歧离越小,入射质子能量相同,靶材料原子序数越大或厚度越大,角度歧离越大。②能量歧离与靶材料相关,主要是与面电子密度相关。面电子密度越大,透射质子能谱歧离越大。能量歧离也与入射质子能量相关,一般情况是入射质子能量越大,则能量歧离越小。

全文目录


中文摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章 引言  11-14
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 理论发展现状  12-13
    1.2.1 角度歧离理论  12
    1.2.2 能量歧离理论  12-13
  1.3 本研究工作及意义  13-14
第二章 质子与物质的相互作用  14-21
  2.1 重带电粒子与物质的相互作用  14-16
    2.1.1 与核外电子发生非弹性碰撞  15
    2.1.2 与核外电子发生弹性碰撞  15
    2.1.3 与原子核发生非弹性碰撞  15-16
    2.1.4 与原子核发生弹性碰撞  16
  2.2 重带电粒子在物质中的能量损失  16-19
    2.2.1 电子阻止本领  17-18
    2.2.2 核阻止本领  18-19
  2.3 角度歧离和能量歧离发生原因  19-21
第三章 蒙特卡罗模拟方法  21-29
  3.1 GEANT4 程序介绍  21-23
    3.1.1 GEANT4 软件开发技术特点  21
    3.1.2 GEANT4 模块关系图  21-23
  3.2 本文程序结构分析  23-24
  3.3 模拟实验搭建  24-29
    3.3.1 几何模型实现  24
    3.3.2 模拟源粒子  24-25
    3.3.3 物理过程  25-29
第四章 角度歧离模拟计算  29-39
  4.1 角度歧离相关理论  29
  4.2 角度歧离GEANT4 模型  29-30
  4.3 角度歧离GEANT4 模拟结果与分析  30-39
    4.3.1 角度歧离GEANT4 模拟结果  30-34
    4.3.2 角度歧离随入射质子能量和靶物质Z 的变化  34-36
    4.3.3 角度歧离随质量厚度的变化  36-39
第五章 能量歧离模拟计算  39-51
  5.1 能量歧离相关理论  39-41
  5.2 能量歧离GEANT4 模型  41-42
  5.3 能量歧离GEANT4 模拟结果与分析  42-51
    5.3.1 能量歧离GEANT4 模拟结果  42-46
    5.3.2 能量歧离随入射质子能量和靶物质Z 的变化  46-48
    5.3.3 能量歧离随厚度的变化  48-51
结论  51-52
参考文献  52-54
附录  54-60
致谢  60

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 原子核物理学、高能物理学 > 原子核物理学
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