автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Развитие программного обеспечения расчетов ядерно-электромагнитных каскадов

Введение

1. ТЕОРИЯ ПЕРЕНОСА ИЗЛУЧЕНИЯ

1.1 Основные принципы теории переноса излучения.

1.2 Метод Монте-Карло в задачах переноса излучения.

1.3 Марковские цепи.

1.4 Рассеяние частиц

2. АДРОННЫЕ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КАСКАДЫ

2.1 Электрон-фотонные ливни.

2.2 Перенос мюонов.

2.2.1 Взаимодействие мюонов с веществом.

2.2.2 Флуктуации потерь энергии.

2.2.3 Алгоритмы переноса мюонов в пакете MARS

2.3 Ядерно-электромагнитные каскады.

2.3.1 Упругое рассеяние.

2.3.2 Взаимодействие адронов с ядрами.

2.3.3 МК алгоритмы развития ЯЭК.

2.3.4 Нейтроны низких энергий в ЯЭК.

3. МК ПАКЕТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ АЭК

3.1 Рождение частиц при столкновении адронов.

3.1.1 Жесткое рассеяние партонов.

3.1.2 КХД радиационные поправки.

3.1.3 Излучение конечных состояний.

3.1.4 Распады частиц.

3.1.5 Алгоритм смешивания событий.

3.2 Программные пакеты моделирования взаимодействия частиц с веществом

3.3 Структура пакетов транспорта излучения через вещество

3.3.1 Представление геометрии.

3.3.2 Базы данных в задачах транспортировки излучения

3.3.3 Визуализация результатов моделирования.

3.4 Интегральное описание характеристик ливней частиц

3.4.1 Интегральный подход при описании ЭФЛ, развивающегося в калориметрах.

3.4.2 Интегральный подход в описании отклика адронного калориметра.

3.4.3 Связь между е/Л-отношением и разрешением адрон-ного калориметра по энергии.

4. ПРИКЛАДНЫЕ ЗАДАЧИ

4.1 Антипротонный источник коллайдера ФНАЛ.

4.2 Мюонный спектрометр ЗАМШ эксперимента ДО.

4.3 Разогрев мишени протонными пучками с энергией ~1 ГэВ

4.4 Радиационные нагрузки на элементы установки УКД

Высокие энергии, интенсивность и светимость современных и проектируемых ускорителей заряженных частиц, сложность и большая стоимость экспериментальных установок и ускорительного оборудования выдвигают высокие требования к вычислительным программам, моделирующим образование и прохождение излучения в веществе элементов ускорителя и установок. Пакеты моделирования используются на всех стадиях подготовки эксперимента как для расчетов формирования сигнала в установках, так и для оценки фоновых и радиационных загрузок детекторов и прогнозирования радиационной обстановки за биологической защитой ускорителя.

За последнее время существенно расширилась область потенциального использования пучков адронов - появились проекты ядерно-энергетических установок с пучковой "накачкой", обладающих более высоким уровнем безопасности, нежели традиционные АЭС. Развивается направление, связанное с переработкой (трансмутацией) долгоживущих ядерных отходов. Решение подобных задач требует развития соответствующего программного обеспечения и синтеза методологий описания транспорта частиц, развитых в различных областях физики.

Не менее интересны задачи, связанные с исследованием развития ядерно-электромагнитных каскадов, индуцированных космическими лучами и развивающихся в атмосфере Земли. Подобные исследования позволяют изучать состав космического излучения, энергетические и угловые зависимости его интенсивности как на уровне моря, так глубоко под водой или землей (например, эксперименты на Байкальском нейтринном телескопе и в шахте Гран Сассо).

Все вышеперечисленное позволяет считать, что проблема моделирования транспорта излучения и создания соответствующего программного обеспечения для подобных задач актуальна для физики высоких энергий.

Целью диссертационной работы является создание и развитие программных кодов, позволяющих описывать перенос частиц в веществе в сложной геометрии.

Автор защищает:

• Структуру, алгоритмы и организацию программ, объединенных в стандартный пакет MARS (версии MARS'93, MARS'96, MARS'98).

• Разработку математического обеспечения для внутрипрограммно-го представления сложных геометрий, обработки ж визуализации результатов моделирования ядерно-электромагнитных каскадов в веществе.

• Разработку и развитие алгоритмов, описывающих основные физические процессы, происходящие при прохождении через вещество.

• Модернизацию программного пакета ISAJET, моделирующего взаимодействие адронов при высоких энергиях.

• Результаты использования созданных программных пакетов при подготовке экспериментов и решении радиационных проблем на ускорителях ИФВЭ и ФНАЛ и коллайдерах УНК, Тэватрон, SSC и LHC.

• Данные по моделированию серии экспериментов на бустере ИФВЭ, где исследовалось развитие адронных каскадов в протяженных мишенях при облучении их протонами средних энергий.

Научная новизна и практическая ценность работы определяется тем, что в ней предложены и реализованы в программах алгоритмы, позволяющие достаточно корректно и быстро проводить расчеты транспорта частиц через вещество. На смоделированных событиях найдены эффективные критерии, позволяющие выделять события с рождением ц-мезонов в эксперименте ДО. Найденные критерии использованы в реальном эксперименте.

Для антипротонной мишени коллайдера Тэватрон (ФНАЛ) определены оптимальные параметры, полученные в результате расчетов, проведенных автором. Предложенные рекомендации с успехом используются на ускорителе ФНАЛ.

Экспериментально исследованы энерговыделения и выходы нейтронов из мишени на пучке бустера ИФВЭ, показано согласие экспериментальных и расчетных данных.

Разработанные коды транспорта частиц через вещество используются в экспериментальных исследованиях, проводимых в настоящее время в таких центрах ядерной физике, как ИФВЭ, ЦЕРН и ФНАЛ. Они также будут полезны в экспериментах, которые планируются на новых ускорителях.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проанализированы основные процессы, происходящие при прохождении частиц через вещество. Созданы формализованные программные алгоритмы, описывающие такие процессы.

2. Создан программный пакет MARS/IHEP. Он включает: модули физических процессов, процедуры описания и отладки геометрии, программные средства оптимизации моделирования каскадов, процедуры визуализации геометрии и результатов расчетов. Пакет используется в настоящее время для расчетных исследований в ИФВЭ, ЦЕРН и ФНАЛ.

3. Исследован широкий круг прикладных физических проблем, связанных с подготовкой и проведением экспериментов на коллайдерах.

• С помощью пакета MARS исследованы калориметры различной геометрии. Проведена оптимизация геометрии калориметров.

• Проведена подготовка и моделирование серии экспериментов на бустере ИФВЭ, получены данные по энерговыделениям и выходам нейтронов из мишеней.

• Разработаны и проверены на данных триггерные условия на мюон для эксперимента ДО.

4. Модернизированы и адаптированы к условиям эксперимента программные пакеты, позволяющие моделировать адрон—адронные и адрон—ядерные взаимодействия. Создан интерфейсный программный пакет, позволяющий использовать многообразие параметризаций структурных функций, предлагаемое библиотекой PDFLIB. Введены соответствующие управляющие ключи в варианты пакетов PYTHIA 5.6 и ISAJET 6.49. Модернизация также коснулась:

• создания и программной реализации алгоритма смешивания мягких событий;

• подпрограмм, описывающих распады частиц: включены те распады, которые отсутствуют в стандартных вариантах пакетов PYTHIA, FRITIOF и т. д.

В заключение считаю своим приятным долгом поблагодарить доктора физико-математических наук Е.А. Козловского, взявшего на себя труд по руководству данной диссертацией.

Я искренне благодарен руководителю Отдела радиационных исследований профессору В.Н. Лебедеву, который поддержал исследования, ставшие основой данной работы.

Я благодарен И.С. Байшеву, В.И. Белякову-Бодину, И.А. Курочкину, С.И. Стриганову, В.В. Таланову и A.B. Узуняну за их активное участие в исследованиях по теме диссертации.

Успешному выполнению всех работ, проводимых по теме диссертации, способствовали академик A.A. Логунов и профессор Н.Е. Тюрин, которым я приношу искреннюю благодарность.

1. И.Л. Ажгирей, А.П. Воробьев, Е.А. Козловский, Н.В. Мохов, Моделирование характеристик рр-взаимодействий и каскадов вторичных частиц для Универсального Калориметрического Детектора УНК, Препринт ИФВЭ 87-151, 1987 30.

2. I.L. Azhgirey and N.V. Mokhov, Antiproton Production and Energy Density Limitations in Targets for the Fermilab Pbar Source, Preprint FNAL, FERMILAB-TM-1529, 1988.

3. I.L. Azhgirey, N.V. Mokhov and A.V. Uzunian, Background particles fluctuations in the DO small angle muon system at Fermilab, Preprint IHEP 90-69, Protvino, 1990.

4. И.Л. Ажгирей. Н.В. Мохов, Радиационные нагрузки на элементы установки для экспериментов на 0.4хЗ-ТэВ коллайдере УНК, Препринт ИФВЭ 90-132, Протвино, 1990.

5. I.L. Azhgirey, N.V. Mokhov, Radiation levels in the UNK experiments, Proc. of the 3rd Workshop "Physics at UNK", Protvino, 25-28 Sep. 1990, p.18.

6. И.Л. Ажгирей, И.А. Курочкин, М.А. Маслов, В.В. Таланов, А.В. Узу-нян, MARS93. Развитие комплекса программ ИФВЭ для моделирования ядерно-электромагнитных каскадов в области энергий до 20 ТэВ, Препринт ИФВЭ-93-19, 1993.

7. И.Л. Ажгирей, И.А. Курочкин, В.В. Таланов, Развитие комплекса программ MARS для решения радиационно-физических задач проектирования электроядерных установок, В Материалах XV Совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 1996, с.74.

8. И.Л. Ажгирей, И.А.Курочкин, В.И.Беляков-Бодин, Моделировани облучения вольфрамовой мишени протонами средних энергий, Тезисы докладов на VII Конференции по защите от ионизирующих излучений ядерно-технических установок, Обнинск, 1998, с.350.

9. И.Л. Ажгирей, И.А. Курочкин, Н.В. Мохов, К расчету полей адронов в протяженных блоках вещества, Тезисы 4-й Конференции по защите от ионизирующих излучений ядерно-технических установок, Томск, 1985, с.8.

10. И.Л. Ажгирей и др., Комплекс программ ИФВЭ для моделировани переноса излучения в 3-мерных геометриях при энергии 10 МэВ -20 ТэВ, Материалы 5-й Конференции по защите от ионизирующи: излучений ядерно-технических установок, Протвино, 1989, с.173.

11. I. Azhgirey and A. Uzunian, Calculation of background for the SDC Forward Muon System, in: SDC Forward Muon Workshop, SSCLab J an.93, SDC-93-414, p.343.

12. I. Azhgirey and A. Uzunian, Optimization of SDC shielding, in Proceedings of SDC Muon Workshop, IHEP, Protvino, 06.93, p.3.

13. V. Sirotenko et al., Comparison of the results of neutron fluenc calculations with GCALOR and MARS93 programs in BL-3 shieldin, geometry, SDC-93-493 (Apr 1993) 7p.

14. V. Belyakov-Bodin et al., Benchmark experiment with tungsten targe bombarded by medium energy protons, in: Proc. of Int. Conf. on Futur Nuclear Systems GLOBAL'97, Oct.97, Yokohama, Japan.1819 2021