🔬 核反应模拟程序：LISE++与PACE4实战指南

  • PACE4 (Projectile-fragment Separator for Nuclear Chemistry Experiments 4) ：PACE4是一个统计模型程序，用于模拟重离子反应中的复合核衰变。这个程序可以预测在核碰撞实验中产生的不同类型的放射性同位素，包括裂变产物、α衰变和质子发射等。PACE4广泛用于核物理和核化学的研究，特别是在理解重元素的合成和衰变特性方面。
  • LISE++ : LISE++是一种用于模拟重离子碎片分离器性能的软件。它可以预测和分析在核碰撞实验中产生的碎片的运动学特性，如能量、速度和角分布。LISE++对于设计和优化核物理实验设备，如碎片分离器，以及分析实验数据非常重要。

🌟 核心功能解析

LISE++ 三大核心能力

  1. 运动学可视化 - 实时呈现能量损失、飞行时间、空间分布等关键参数
  2. 多维度分析 - 支持dE-E、dE-TOF、ZA/q等二维图谱绘制
  3. 快速相空间模拟 - 基于输运积分的高效计算引擎

PACE4 四大升级亮点

  • 🆕 智能参数引导界面
  • 📊 与LISE++数据互通
  • 🧮 集成AME2003核数据库
  • ⚛️ 量子力学势垒计算

LISE++和PACE4

🚀 版本进化史

时间轴

1990

初代LISE

  • 基于Borland框架开发
  • 基础碎片分离器模拟功能

2010

LISE++ 10.0

  • 引入Qt框架支持
  • 增加三维可视化模块

2023

LISEcute++ 15.0

  • 全新Qt6架构重构
  • 实时多核并行计算支持

🧩 功能对比

特性 LISE++ 优势 PACE4 专长
计算类型 ⚡️ 运动学模拟 📊 统计衰变模拟
核心算法 蒙特卡洛输运 Hauser-Feshbach 模型
典型应用 分离器设计/束流优化 同位素产率预测
可视化 🚀 实时3D轨迹渲染 🔥 截面热力图谱
硬件需求 💻 GPU加速支持 ⚙️ 多线程CPU优化

🛠 LISEcute++ 架构革新

  • 跨平台重构：基于Qt6框架实现全平台支持
  • 可视化升级：集成OpenGL 4.6实时渲染引擎
  • 计算加速：支持CUDA/ROCm异构计算架构
  • 设施兼容：适配A1900、SECAR等主流分离器

⚠️ 版本迁移注意

PACE4作为PACE2的现代化升级：

  • 保留FORTRAN核心算法的数值稳定性
  • 通过C++包装器实现多线程并行
  • 新增LISE++数据总线接口
  • 支持JSON/YAML配置文件格式

🖥️ LISE++界面详解

LISE++主界面

主界面布局

  • 束流配置：Projectile/Energy/Intensity
  • 目标系统：Target/Stripper 材料设置
  • 产物筛选：Fragment 碎片参数
  • 磁铁系统：D1/D2偏转磁铁
  • 准直系统：Slits狭缝调节
  • 色块图谱：同位素分布热力图

工具栏:

* 包括文件操作、选项、实验设置、物理模型、计算和实用工具等。

状态栏:

* 显示配置文件、版本和其他状态信息，如 "config A1900_2019" 和 "version 17.0.0"。

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Beam界面

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  1. 选择元素和电荷状态:

    • 从Element​和A​以及Z​字段选择射入的元素，如 90Zr。
    • ​q​（电荷量）与Z​相同，会自动变化

  2. 设置束流能量:

    • 在Beam energy​部分，Energy​字段应设置为每单位质量的能量，如图1所示为140 MeV/u。

  3. 设置束流强度:

    • 在Beam intensity​部分输入束流的电流强度，单位通常是电纳安培（enA）。

  4. 配置发射度:

    • 在Emittance [#1]​区域，设置束流的空间和动量扩展，这些参数决定了束流的分布和聚焦。
    • 设置X, Y轴向及其角动量T, P的高斯分布参数。

  5. 调整2D分布模式:

    • 在2D - shape mode​（2D形状模式）部分，选择Monte Carlo method​（蒙特卡洛方法），这是一种随机抽样方法，用于更准确地模拟实际的物理过程。

  6. 其它相关参数:

    • 如果图1中提到了其它相关的束流参数或者靶材的特定设置，也需要在这个界面中适当配置。

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某一生成图

选择One nucleus transmission生成：

  1. X-angle and Y-angle:

    • 这些图表显示了束流的角分布。X和Y指的是粒子束在两个垂直平面上的角度分布。这影响束流如何在设备中传播。

  2. X-space and Y-space:

    • 这些图展示了粒子束在水平（X）和垂直（Y）方向上的空间分布。束的宽度和形状会根据它通过分离器的不同部分而变化。

  3. Momentum:

    • 动量图显示了粒子束的动量分布。它是粒子束质量和速度的乘积，是粒子分离的关键因素。

  4. Energy:

    • 能量图表展示了粒子束在整个分离过程中的能量变化。在这里，它看起来是相对恒定的，这表明在分离器中没有大的能量损失。

在图表中，你还会看到标记为 D1、D2、D3 和 D4 的位置，这些代表着分离器内的不同元件，如偏转磁铁或聚焦器，它们影响粒子束的路径。

在顶部的标题中提到了 “Envelope for 93MoProjFrag”，这意味着这些图表特别关注于如何优化93Mo碎片在分离器中的传输。

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PACE4界面

主界面

  1. NCASC:

    • 这是要模拟的级联（即事件或反应）的数量。对于统计上有意义的结果，这个数字应该足够大。

  2. INPUT:

    • 这个选项决定了初始条件的输入方式。选择从1到5，每个数字代表不同的输入方式。例如，1是指单粒子+靶的输入，2是指复合核输入等。

  3. FYRST 和 BARFAC:

    • 这些参数与核裂变有关。FYRST 用于设置旋转能量（EROT），BARFAC 用于调整裂变势垒。

  4. ARATIO 和 FACLA:

    • 这些参数与核态密度有关。ARATIO 是级联产物的质量数与原核质量数的比值，FACLA 用于调整密度参数。

  5. IDIST:

    • 这个选项用于选择结果的详细程度。0表示简略结果，1提供详细的角度和能量分布，2还包括粒子发射的透射系数。

  6. MDIR:

    • 选择反应中的动量分布方向。MDIR=0意味着复合核最初是M-J态，而MDIR=1意味着用于深度非弹性碎片去激发。

  7. ITRAC 和 NOSHL:

    • ITRAC 控制事件追溯的程度。NOSHL 选择是否使用AME2016的质量数据，或者使用Lysøe的质量数据并应用壳层修正。

  8. Limits of residual yields 和 Particle analysis:

    • 这里可以设置残留产物收率的显示限制，并且选择要输出的粒子类型分析。

  9. Nucleus gate:

    • 允许用户设置特定的核门，即只考虑特定种类和能量范围内的核。

反应设置界面

  1. Projectile 和 Target:

    • 这里你可以设置投射体（Projectile）和靶（Target）的核素。包括它们的质量数（A）、中子数（N）、质子数（Z，即原子序数）、自旋（Spin gs）和激发能（ME(MeV)）。

  2. Compound:

    • 这部分显示由投射体和靶核反应生成的复合核的信息。

  3. Calculation:

    • 这里显示了反应的Q值（QcN），反应前后的能量差（EcM），以及复合核的激发能（Ex*）。

  4. Beam Energy:

    • 你可以输入束流能量（E）。还有一个选项用于批处理模式（Batch Mode）。

  5. EXPSIG 和 JCMAX:

    • 这些参数与实验融合截面有关。如果已知，可以输入用于模拟的实验融合截面或角动量上限。

  6. AGRAZ:

    • 这个参数用于设置在光学模型中的衍射性质。一个非零值可以使模型更加精确。

  7. ELOSS:

    • 表示束流通过靶材料时的能量损失。

  8. LMINN:

    • 最小偏转量子数，用于计算反应。

  9. Transmission probability for a one-dimensional barrier (O.T.) :

    • 可以选择经典或量子力学（通过Hill-Wheeler公式）来计算单维势垒的透射概率。

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对于PACE4 后续选项可以不用特别设置，直接选择​from systematics​系统自动计算生成
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这个界面是PACE4软件中的光学模型势（Optical Model Potential）配置部分。光学模型是核物理中用来描述核与核之间相互作用的一个理论模型。这个界面允许用户设置与中子、质子或α粒子相关的光学模型势参数。这些参数影响模拟中粒子如何与靶核相互作用。下面是参数的解释：

  1. V0(I), W0(I), V1(I), W1(I), V2(I), W2(I) :

    • 这些是光学势的实部（V）和虚部（W）的深度参数，通常以MeV为单位。实部代表势阱的深度，而虚部与粒子被吸收或散射的概率有关。

  2. R0(I), R1(I) :

    • 这些参数定义了实部和虚部势的半径，通常与核的大小相关。

  3. A0(I), A1(I) :

    • 这些参数定义了势阱的衍射性，即势壁的“陡峭程度”。

  4. NPD(I), IMAG(I), IRAD(I) :

    • NPD(I) 是核物理数据的点数，IMAG(I) 定义虚部势是表面型还是体积型，IRAD(I) 控制Coulomb势的半径。

  5. Depth of real/imaginary nuclear well:

    • 这里给出了实部和虚部核势阱深度的计算公式。

  6. Radial extension of nuclear well:

    • 这是关于核势半径的说明，可以根据IRAD(I)的值选择不同的半径计算方式。

PACE4生成文件主要部分

  • 投射体（91Zr）和靶核（4He）的原子序数（Z）、中子数（N）、质量数（A）和自旋（Spin）。
  • 轰击能量（Bombarding energy）、质心系能量（Center of mass energy）、复合核激发能量（Compound nucleus excitation energy）和反应的Q值（Q-value of reaction）。
  • 复合核反冲能量（Compound nucleus recoil energy）、复合核反冲速度（Compound nucleus recoil velocity）、复合核速度与光速的比值（Compound nucleus velocity/c）以及束流速度与光速的比值（Beam velocity/c）。
  • 实验融合截面（Experimental fusion cross section）、融合L-衍射（Fusion L-grazing）和融合L-模糊度（Fusion L-diffuseness）。
  • 在最大激发能量下的Yrast线自旋（Yrast spin at maximum excitation energy）和复合核形成截面（Compound nucleus formation cross section）。

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复合核衰变结果

这张图显示的是PACE4程序对复合核衰变的模拟输出结果，列出了不同残留核（剩余核）的产生率和截面。数据包括：

  • 残留核的原子序数（Z）、中子数（N）和质量数（A）。
  • 检测到的事件数量（events）。
  • 每种残留核相对于总事件数的百分比（percent）。
  • 对应的产生截面（x-section，单位为毫巴恩）。

这个图展示了PACE4模拟输出的 93Mo的能量和角度分布结果：

  1. 残留速度：给出了残留核的速度 Vz和Vxy（横向速度）。
  2. 能量范围（MeV） ：残留核被检测到的能量区间。
  3. 角度范围（deg） ：每个能量区间对应的角度分布，显示在不同角度下探测到的残留核的数量。

例如，在能量区间 731-738 MeV，有863个残留核被探测到，其中4个在0-1度的角度范围内。

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  • Z, N, Mode：元素的原子序数（Z），中子数（N），以及反应模式。这里展示的是中子发射（NEUT），质子发射（PROT），和伽马射线发射（G-E1）的模式。
  • Total：总共发生的事件数。
  • Multiplicity：平均每次反应事件中粒子发射的数量。
  • Average ECM：平均质心系能量。
  • Average spin removed：平均移除的自旋。

每个能量范围的行代表在该能量区间内检测到的事件数。例如，“12-14” 的行中 “3” 表示在该能量区间内有3个事件发生了中子发射，“4” 表示发生了4次质子发射，“1” 表示发生了1次伽马射线发射。“avrg” 和 “stdv” 分别表示这些事件在该能量区间内的平均值和标准偏差。

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