α粒子对人体癌细胞损伤过程的蒙特卡罗模拟及分析

在重离子束治癌以及硼中子俘获治疗(BNCT)中，需要了解载能离子注入人体组织及人体细胞中引起的相关生物效应．为了更好地了解单个离子穿过单个细胞引起的生物学效应(即单粒子效应)，理解在细胞或亚细胞水平上的微观剂量分布，文章以BNCT为例，采用蒙特卡罗程序模拟α粒子在人体细胞中的输运过程，通过研究粒子的射程分布、径迹结构、能量沉积及靶损伤情况等，分析注入粒子对人体细胞的损伤效应．     

新型M-THGEM结构探测器的蒙特卡罗模拟研究

新型多层厚型气体电子倍增器（Multi-layers THick Gas Electron Multiplier,M-THGEM）和传统THGEM （厚型气体电子倍增器）相比,具有连续的雪崩区,能够在低气压和低电压下都有较高增益,结构更紧凑,易于大面积制作等优势。对M-THGEM探测器的工作原理及性能进行了模拟研究,首先通过有限元（ANSYS）软件对二层与三层结构的M-THGEM进行了建模,对电场和电势分布分别进行了模拟计算;再利用Garfield++程序包对M-THGEM探测器在不同低气压和不同工作电压下的增益、感生信号、正离子反馈率等性能进行了研究。模拟结果表明,三层结构M-THGEM在低气压（200 Torr）、纯He气体条件下,能够获得较稳定的增益（105）,输出信号的宽度在12 ns左右;同时,为降低正离子反馈率,本工作提出并研究了一种非对称的电压施加方式,结果表明,这种施加方式能有效降低正离子的反馈率。Compared to THGEM (Thick Gas Electron Multiplier), the novel Multilayer Thick Gaseous Electron Multiplier (M-THGEM) has many advantages, such as continuous avalanche zone, more compact structure, high gain at low pressure and low operating voltage, and easy to make large-area production. In the presented work, two types of the M-THGEM detector (two or three layers) were modeled, and their main principle and performances were also studied by simulation. Two types of the detector were molded and simulated by using the finite element software (ANSYS), and the electric field distribution and nodes information lists were figured out. The effective gain and induced signal from M-THGEM detector at different gas pressures and operating voltages were studied with the Garfield++ package. The simulation results shown that M-THGEM can obtain a stable higher gain around 105 in an environment where has a low pressure even in 200 Torr and within a pure inertia gas such as He. At this condition, the width of the induced signal from the three-layers structure is around 120 ns. Additionally, an asymmetric way of the applied voltage was studied and aim to reduce the efficiency of ion feedback, and our results show that this method is effective.     

基于蒙特卡罗模拟研究锆钛酸铅镧材料的中子辐照损伤

锆钛酸铅镧(Pb_0.94La_0.06Zr_0.96Ti_0.04O₃,PLZT)具有良好的介电和储能性质,是高效、高能量密度电容元件和存储器件的基体材料.为研究该材料的中子辐照损伤,首先基于Geant4程序包模拟了能量为1—14 MeV中子辐照浩钛酸铅镧(PLZT)材料产生的反冲原子能谱,然后根据产生的反冲原子种类和最大能量,利用二元碰撞方法模拟了不同能量的离子在PLZT中产生的位移损伤(包括空位和间隙原子),最后根据反冲原子能谱和对应能量离子在材料中产生的缺陷数目计算了不同能量的中子在PLZT材料中产生缺陷浓度以及分布.结果发现,对于1—14 MeV能区的快中子而言,其在厚度为3 cm的PLZT材料中产生的缺陷数目近似与中子能量无关,约为460±120空位/中子.辐照损伤在3cm厚度内随深度的增加而略有减小,总体变化小于50%,该减小主要是由于中子的反散射导致.本工作为计算中子在材料中的位移损伤提供了一种方法,同时模拟结果可为研究PLZT基电子器件的中子辐照效应提供指导.     

蒙特卡罗计算机模拟应用一例

通过圆周率的计算,说明蒙特卡罗计算机模拟方法的应用过程     

氢原子电子云的蒙特卡罗模拟

根据量子力学原理,氢原子中电子的几率分布由电子的定态波函数可以唯一地确定.在大多数教科书中,通常是将电子沿径向和角度方向的几率分布分别进行讨论,因此很难给出电子在整个空间几率分布的一个完整图象.我们使用蒙特卡罗随机抽样的方法,通过计算机作图形象而逼真地绘制了氢原子中电子的几率分布图,即所谓的电子云.下面介绍所使用的方法.     

银河宇宙线核传播的蒙特卡罗模拟

采用银河系超新星爆发中激波加速产生宇宙线的假定,用Monte Carlo方法模拟了宇宙线核在星际空间中的传播.模拟计算中采用加速器实验中测得的核碰撞截面和核散裂几率,考虑宇宙线核在星际介质中的作用和能量变化率,并采用标准漏箱模型决定宇宙线传播的扩散,最后采用力场近似处理太阳调制对宇宙线核的影响,所得到的0.5至20GeV/N的初级宇宙线硼、碳比,矾,铁比以及氧和铁的能谱与实验结果符合较好.讨论了超新星爆发的激波压缩比因子的不同取值对结果的影响.     

CdZnTe核探测器的蒙特卡罗模拟的初步研究

以CdZnTe核探测器的工作原理为依据,探测器内反应的随机性和反应产生的电子空穴对数目的统计规律为物理模型,应用Visual C + + 自行编制了蒙特卡罗模拟软件.模拟了γ射线在CdZnTe探测器中的响应能谱,并将模拟结果与实际器件的测试结果进行了比较讨论.模拟能谱与实际测得的能谱的主峰符合较好.此外,通过分析⁵⁷Co源辐照下探测效率与器件厚度的关系,可以推测探测效率达到最大时所对应CdZnTe探测器的理想厚度     

气候变化中高温破纪录事件的蒙特卡罗模拟研究

采用蒙特卡罗方法,分析了南京市1961年—2000年40?a日观测温度资料中的高温破纪录事件的统计规律,并比较了20世纪全球变暖和南京市近40年来区域变暖背景对其统计规律的影响. 理论分析和蒙特卡罗模拟结果均表明：近40年来南京市第ｋ个高温破纪录事件的最概然发生强度与k（k=1,2,3,:）呈线性增长,而年发生高温破纪录事件的频率随时间t呈1/（t+1）的衰减趋势,且平均温度高的年份,发生高温破纪录事件的概率较大,反之,概率较小. 结果还表明：20世纪的全球变暖速率（ｖ=0.006?℃/a）和南京市区域的变暖速率（ｖ=0.017?℃/a）在短期内还不至于引起高温破纪录事件的发生强度和发生频率有明显变化,但持续变暖最终将会使年发生高温破纪录事件的频率渐渐地收敛于一个常数,近似等于变暖速率的值. 此外,还研究了日温度之间的自相关和方差变化对高温破纪录事件的影响,研究发现异方差和弱的自相关对高温破纪录事件的发生强度和概率的影响基本可以忽略.关键词：高温破纪录事件蒙特卡罗模拟全球变暖     

新型二次电子倍增阴极的蒙特卡罗模拟研究

提出了一种新型二次电子倍增阴极强流二极管,并对其进行了动力学理论简化模型和蒙特卡罗数值模拟的对比验证研究。首先,基于设计结构原型,根据二次电子发射特性进行合理简化,建立了动力学模型,获得了电子速度、位移以及渡越时间的解析结果,并结合Vaughan的二次电子产额模型,确定了该新型二次电子倍增阴极强流二极管的理论工作区间;其次,理论分析了施加径向电场的重要意义,并给出了二次电子运动特征参数(最大位移、渡越时间、碰撞能量等)的理论预估结果;最后,对该新型二次电子倍增阴极强流二极管进行了蒙特卡罗模拟研究,获得了电子的运动轨迹、碰撞能量以及二次电子倍增工作区间等物理图像,并将蒙特卡罗数值模拟结果与理论结果进行了比对,两者吻合程度较好,对可能的误差来源进行了分析讨论。理论和模拟结果表明：新型二次电子倍增阴极强流二极管概念可行,工作区间内通过调整施加电场与磁场幅值,可有效达到电子运动状态可控的目标。另外,理论粗估了二次电子倍增饱和条件下的阴极发射电流密度,结果表明：发射电流密度可达kA/cm²水平,具备强流发射特性;增加外加径向场强幅值可有效提升发射电流密度。最后,对该新型二次电子倍增阴极设计步骤和依据进行了讨论。     

MRI引导放射治疗中电子回转效应的蒙特卡罗研究

为了研究磁共振引导放射治疗对剂量分布的影响,采用蒙特卡罗方法研究了横向均匀磁场对6 MV光子束在4种不同人体组织材料与空气界面处因电子回转效应导致剂量分布的改变。模拟显示,对于电离能相近的几种材料,磁场对剂量分布扰动的差别较小,而且电离能较大的材料,这种扰动明显变小。结果表明,磁场的引入会影响光子束原有的剂量分布,且这种影响与材料的电离能有关。这意味着虽然磁共振引导放射治疗可以增强靶向精度,提高治疗效果,但磁场会导致光子束剂量分布的改变,且不同的组织这种改变也不相同,这将为相应的剂量算法研究带来了新的挑战。A Monte Carlo code was used to study the discrepancy resulted from the emergence of magnetic field in MRI guided radiotherapy. In this work, four different tissue phantoms with magnetic field and 6 MV photon were studied, and the dose distributions at the interface of phantom-air were evaluated. It is found that the differences of the dose perturbation are small between the materials with similar ionization energy. However, the dose perturbation decreased significantly for the material with high ionization energy. The results of this study demonstrate that magnetic field will change the dose distribution of photon beam and the dose perturbation associated with ionization energy of materials. It means that magnetic resonance imaging guided radiotherapy can enhance the target accuracy, but the magnetic field will change the dose distribution of photon beam, and the perturbation was not the same for the different materials of human tissue, it has brought new challenges for the research of dose algorithm.     

LED梯度折射率封装结构的蒙特卡罗模拟

针对封装胶中掺杂纳米颗粒以及采用梯度折射率的LED封装模式,用蒙特卡罗方法模拟光在胶体中的传播,分析散射系数对透光率的影响.结果表明,透光率随散射系数增大而减小.对于固定的封装层数,各层均采取最佳折射率值时,透光率可以达到最大.梯度折射率值逐渐减小的多层纳米掺杂封装结构,透光率高于传统的封装模式,能够提高LED的出光效率.     

LED梯度折射率封装结构的蒙特卡罗模拟

针对封装胶中掺杂纳米颗粒以及采用梯度折射率的LED封装模式,用蒙特卡罗方法模拟光在胶体中的传播,分析散射系数对透光率的影响.结果表明,透光率随散射系数增大而减小.对于固定的封装层数,各层均采取最佳折射率值时,透光率可以达到最大.梯度折射率值逐渐减小的多层纳米掺杂封装结构,透光率高于传统的封装模式,能够提高LED的出光效率.     

DNA微环拓扑性质的Monte Carlo模拟

基于微环DNA分子柔性铰链机制,利用Monte Carlo模拟研究不同长度微环DNA分子(小于500 basepairs)的构象能及各片断之间的关联性质,给出含有柔性铰链的微环DNA分子直接构象信息和相应的拓扑性质.     

粒子输运蒙特卡罗模拟现状概述

蒙特卡罗(MC)方法发展已有60多年历史,广泛应用于核科学及相关领域.MC方法超强的几何处理能力,使用精密的连续点截面参数,能够模拟各种复杂几何系统内的中子、光子、电子、α粒子、质子及其耦合输运问题.随着计算机的快速发展,通过大规模并行计算,MC方法及程序已成为模拟各种粒子输运问题的首选工具.     

Monte Carlo Simulation on Glueball Search at BESIII

The J/ψ radiative decays are suggested as promising modes for glueball search. A full Monte Carlo simulation of J/ψ →γηη and γηη, based on the design of BESIII detector, is performed to study the sensitivity of searching for a possible tensor glueball at BESIII.     

辐照损伤模拟中的Zr 原子势函数

以金属Zr 的一种嵌入原子形式(EAM) 的势函数为基础,通过引入一个调制函数的办法,在不同范围内修改了EAM 势函数的对势部分和原子电子密度分布部分,然后采用分子动力学方法计算点缺陷(间隙原子(SIA) 和空位) 形成能和初级离位原子(PKA) 的阈值能,从而探讨这些物理量对势函数的不同部分的敏感程度。计算结果表明:势函数的对势部分长程范围内的形式对缺陷的形成影响较小,其短程范围的形式对SIA 的形成比对空位的形成影响程度更大;对于PKA 的阈值能,其敏感区域来自于势函数的对势部分和原子电子密度分布的短程范围部分,但在不同晶向上的PKA 的阈值能对势函数的敏感程度有所不同。这些研究结果对于在研究Zr 金属的辐照损伤中势函数的选择或构建有指导意义。For the purpose of detecting the sensitive parts of an embedded atom method(EAM) potential which is considered to be used in molecular dynamics simulation of radiation effects of Zirconium, we introduce a modulation function to modify the pairwise potential and the atomic electron-density distribution of the EAM potential. Based on the modified potential function, the formation energies of the self-interstitial atom (SIA) and the vacancy atom are calculated as well as the displacement threshold energy of primary knock-on atom (PKA). The results indicate that the short range part of the pairwise potential has more greater influence on the SIAs formation than the vacancy formation. The defect formation energies are also very sensitive to the behavior of the atomic electron-density function in the range which is close to the cutoff distance. The displacement threshold is sensitive to the short range behaviors of both the airwise potential and the atomic electron-density function, however, the sensitivity is strongly dependent on the crystal-direction.     

磁性单层膜磁学性质的Monte Carlo模拟

采用类Ising模型,利用Monte Carlo方法研究了磁性单层膜中退磁性偶极作用和铁磁性交换作用对系统磁学性质的影响.结果显示,随着偶极相互作用的增加,系统在低温下的磁化出现平台现象,此时磁化曲线可分为2个阶段,在低外场下,温度升高,系统易磁化,在高外场下则反之.这种新奇的磁化行为导致系统的磁熵变在低温低外场下出现大于零的反常行为.在模拟过程中,对长程力作用采用了比较精确的处理方法.     

蒙特卡罗方法中分子作用模型的设计及应用

利用Lennard-Jones(6-12)作用势,设计GSS-3分子碰撞模型,通过与已有的分子模型及实验数值对比,该模型能够给出正确的气体输运性质.将GSS-3模型应用到非结构网格DSMC中,模拟二维超声速平板绕流和圆柱绕流.数值计算结果初步验证该分子模型的合理性与有效性.