搜索
实验五SRIM计算重离子在材料中的剂量分布一、实习目的和要求（一）实习目的：1、熟悉SRIM程序的基本使用方法，以及在辐射剂量和防护计算中的应用。2、通过此程序仿真模拟重带电粒子入核的过程，获得离子在材料中的剂量分布。3、通过进一步自学，利用SRIM程序解决实际工作中的碰到的一些实际问题。（二）实习要求：1、掌握SRIM软件的基本组成、操作方法；2、利用SRIM对离子在不同物质中的射程进行计算分析；3、对质子在不同固体靶中的径迹及剂量分布进行简单的计算，并对计算结果进行分析并绘图，得出结论。二、SRIM程序简介1、SRIM软件介绍SRIM是模拟计算离子在靶材中能量损失和分布的程序组。它采用MonteCarlo方法，利用计算机模拟跟踪一大批入射粒子的运动。粒子的位置、能量损失以及次级粒子的各种参数都在整个跟踪过程中存储下来，最后得到各种所需物理量的期望值和相应的统计误差。该软件可以选择特定的入射离子及靶材种类，并可设置合适的加速电压。可以算不同粒子，以不同的能量，从不同的位置，以不同的角度入射到靶中的情况。SRIM中包含一个TRIM运算软件。TRIM（TransportofIonsinMatter）是一个非常复杂的程序。它不仅可以描述离子在物质中的射程，还可以详细计算注入离子在慢化过程中对靶产生损伤等其他信息。它可以使用动画让你看到离子注入到靶中的全过程，并给你展示级联反冲粒子和靶原子混合在一起的情形。为了精确估计每个离子和靶原子间相遇时的物理情形，程序只能一次对一个粒子进行计算。这样的话，计算可能消耗可观的时间——计算每个离子花费的时间从一秒到几分钟不等。而精确度由模拟采用的离子数来决定。典型的情况是，应用1000个离子进行计算将得到好于10%的精确度。软件特点：一、灵活的几何处理能力蒙特卡罗方法较其它数值方法的最大优点之一，是处理复杂的几何问题方便、灵活，并且不因几何维数的增多而增加更多的计算时间，因此，在SRIM软件中尽可能提高和完善几何处理能力，以适应各种复杂几何条件下的计算。二、通用化，使用方便SRIM软件的另一个优点是，对截面（参数）按能量分点的多少对计算时间没有多大影响，而其他数值方法却是对此非常敏感。因此，SRIM软件对截面的处理相当精细。三、元素和介质材质齐全SRIM的另一个特点是，程序中所用的元素和介质材料十分齐全，对于一般的科学研究和工程设计的需要都能满足。四、能量范围广，功能强，输出量灵活全面一般中子能量可从10-6甚至10-9MeV到20MeV。光子能量可在keV到GeV数值及范围。电子能量也可在keV到GeV数量级范围。程序中包含各种类型的记录，输出量齐全，如点通量、面通量、体通量、能量通量。径迹长度记数、各种微分量记数，各种反应率、能量沉积、剂量等，都可以选择输出。五、简单可靠又能普遍适用的抽样技巧在蒙特卡罗方法中，为了提高效率，降低方差总是要针对不同类型的问题，采用各种不同的技巧，这些技巧随问题不同可以有很大差别，有的技巧本身不可能也没有必要把所有的技巧都编入其中，只是包含有若干种成熟的、适应性较强的和经过检验是有效的技巧。六、具有较强的绘图功能对于任意几何的蒙特卡罗方法应用软件，具有较强的绘图功能是十分必要的，因为给出较复杂的几何模型结构，常常需要判断给出的模型结构是否与原来的考虑相一致。另一方面，计算结果以绘图形式给出，给人以清新、一目了然的感觉，在实际问题中是非常必要的。2、SRIM软件结构分析SRIM程序包括两个主要程序（SR和TRIM）和其他一些特殊用途的程序。SR（入射粒子在简单靶物质中的能量损失和射程计算界面）可以对较大范围能量的入射粒子在靶物质中能损和射程进行数值计算。TRIM（入射粒子在物质中的传输）是一种蒙特卡罗计算方法，它可以跟踪进入到靶物质中的每个入射粒子，并能得出每个靶原子的碰撞能量转移过程的详细图表。在SR（IonStoppingandRangeTables）界面中，如图1所示，需要输入入射粒子的数据，包括元素种类，原子质量，入射粒子能量范围；还有靶对象的数据，包括元素种类，状态，原子质量，各成分所占比例，以及能量损失。图1SRIM输入界面在TRIM（MonteCarloRanges）输入表格中，如图2所示，同样要填写入射粒子数据（元素名称，质量，能量，入射角度）和靶物质数据（靶的名称，厚度，元素组成），还需要选择入射粒子数目，损伤类型及需要输出的图片文件等。图2trimcalculation设置页面程序运行后可以得出得出如图3所示的输出窗口，上面可给出多种类型的输出图形，用户可根据需要选择合适的图形图3粒子在材料中的径迹模拟三、质子在Fe中的射程及剂量分布计算实例简介1、计算质子在Fe中的射程和对质子的阻止本领l点击桌面的SRIM图标l点击StoppingandRangeTables○首先输入离子，开始点击在“ION”旁边的帮助按钮？。○点击PT按钮，即可通过元素周期表来选择入射离子的种类，通过IonEnergyRange下面的方框来输入能量的范围。○在窗口中向下来到了Target按钮，点击帮助？按钮。○指定靶的成分为Fe，利用PT按钮选定Fe。○点击CalculateTable。○将计算结果保存在如下文件：“SRIMOutputs\HydrogeninIron”。l结果如图4所示，其中第2列为电子阻止本领，第3列为核阻止本领，第4列为所求射程。改变不同的材料，可得到质子在不同材料中的能量与质量射程的关系，如图5所示。图4Fe对质子的阻止本领及射程图5质子在不同材料中能量与质量射程的关系由图5可以看出，各种材料的质量射程按大小排列为FeAlLi,说明粒子与物质相互作用主要是通过与物质核外电子相互作用来损失能量，所以物质中单位质量的电子密度越大，其质量阻止本领越强。图6质子在不同材料中的线性能量转移（LET）假设靶物质的厚度远大于次级电子在物质中的射程时，带电粒子在物质中的LET，即定限组织本领，可近似用阻止本领来代替（即图4中的dE/dx），图6为质子在不同材料中的LET值,从图中可以看出，对于质子防护来说，Li的防护效果最好，Fe的防护效果较差。2、计算质子在Fe中的能损分布l点击桌面的SRIM图标l点击Trimcalculation○首先输入离子，开始点击在“IONDATA”旁边的PT按钮，即可通过元素周期表来选择质子，再依次输入相应的入射能量及入射角度，假设质子能量为3000keV,垂直入射时角度为0。○在TargetData区域，点击右方的PT按钮，添加靶元素Fe，如果需添加多个元素，只需点击Addnewelementtolayer按钮进行添加即可。○确定靶物质的厚度，在这一栏的左边“Width”(宽度)处键入相应的厚度值，这个值可以参考上面所生成的射程，例如假设模拟3MeV的质子入射情况，其在Fe中的射程约为35µm,如果要使全部离子损失在靶物质中，width厚度值应大于35µm,反之亦然，这里我们取1mm。○确定模拟离子的数目，在Totalnumberofions右边方框输入1000。○输出文件的选择，在界面右下方有OutputDiskFiles选项，在IonRanges和TransmitttedIons前面的方框打钩。○点击SaveInput﹠RunTrim按钮，进行计算分析。○将计算结果保存成如下文件：“SRIMOutputs\****.Txt”。l结果如下图所示。图73MeV的质子入射到100um的Fe中的径迹从图7我们可以看到，对于3MeV的质子来说，由于靶厚100nm比其射程大很多，因此所有质子都损失在靶材料中，随着深度的增加，入射离子的径迹不再是一条直线，而是沿中心线有一定的展宽，而且能量也并不完全相同，这就是所谓的带电离子的角度及能量歧离现象。图8为入射离子的射程曲线，由于每两次碰撞间粒子穿过的距离以及每次碰撞使带电粒子失去的能量不完全相同，因而相同能量的粒子的射程不是一个定值。由于每个粒子都必须经过多次的碰撞，因此，各个粒子的射程间的相互差别并不很大。从图中可以看到，大部分入射质子的射程为35um左右，同样存在射程歧离，歧离值仅为1.27um。图83MeV的质子入射到100um的Fe中的射程分布图93MeV的质子入射到100um的Fe中的电离损失情况此外，应用SRIM我们还可以计算不同能量的质子在靶材料中的能量损失，如图9所示，红色区域为质子在Fe中的电离能量损失曲线，可以看出，质子在物质中形成布拉格峰，即重离子束进入物质后不会马上大量释放能量，只有在重离子停下来的位置才会释放其大部分能量，形成一个尖锐的能量峰-布拉格峰。正是因为这个特性，质子治疗在核医学中起到非常好的效果。四、实验步骤1、按照实验讲义，熟悉SRIM程序的使用方法，按照上面的实例，进行简单的射程及剂量计算。2、在上述例子的基础上，改变粒子类型（如α粒子等），进行相应的射程分析计算。3、在图6的基础上，分别改变不同的靶材料，计算LET随能量的分布曲线。4、熟悉重离子所形成的布拉格峰的作用及特点。五、思考题实例中采用的都是单元素靶，如果为化合物靶，如H2O,SiO2等，该如何操作？