一种基于Geant4的粒子全方向能谱入射方法

摘要

本发明公开了一种基于Geant4的粒子全方向能谱入射方法，步骤如下：通过对球面源的均匀抽样和射线方向判定函数，确定全方向入射源的位置和方向分布；通过对需要模拟空间轨道粒子能谱的概率分布函数因变量进行均匀抽样，再映射到对应的能谱值，确定源的能量分布；通过每个粒子输运过程的step位置信息，判断当前粒子是否打到样品上，确定有效粒子数。本方法基于Geant4实现了粒子的全方向能谱入射模拟，为开展空地辐射环境差异研究提供理论支撑。

说明书

技术领域

本发明属于粒子输运数值模拟技术领域，具体涉及到一种基于Geant4的粒子全方向能谱入射方法。

背景技术

空间辐射环境是引起航天器件性能退化甚至失效的主要环境原因，空间辐射环境主要来源于太阳宇宙射线，银河宇宙射线和星球俘获辐射带。

为客观评价航天器件的可靠性，航天器的空间辐射效应主要通过地面辐射源模拟，但地面模拟试验环境和空间辐射环境存在许多差异。这些差异主要有：时间尺度、空间尺度、能量尺度和粒子种类。时间尺度上，航天器在空间服役，少则几个月，多则十几年，地面只能采用短时间加速试验方法，不可能采用太长的时间；空间尺度上，空间粒子是从各个方向入射的，而地面模拟试验往往是单方向的；能量尺度方面，空间粒子能量服从于相应轨道的粒子能谱，能量范围从千电子伏至吉电子伏，地面试验粒子能量单一；粒子种类方面，空间粒子包括质子、电子和重离子等，而地面模拟试验主要采用单一种类的粒子。

粒子输运数值模拟可以一定程度上弥补地面模拟试验条件受限带来的不足，而如何在数值模拟中准确反映空间辐射环境的特征是准确的对航天器的抗辐射能力进行评估的关键。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于Geant4的粒子全方向能谱入射方法，该方法创新性地提出了一种粒子全方向入射方法，并且粒子能量可服从于不同空间轨道的粒子能谱，为分析空地辐射差异中的空间差异和能量差异提供技术支持。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于Geant4的粒子全方向能谱入射方法，通过对球面源的均匀抽样和射线方向判定函数，确定全方向入射源的位置和方向分布；通过对需要模拟空间轨道粒子能谱的概率分布函数因变量均匀抽样，再映射到对应的能谱值，确定源的能量分布；通过每个粒子输运过程的step位置信息，判断当前粒子是否打到样品上，确定有效粒子数；最终完成对粒子全方向能谱入射的建模，为开展空地辐射环境差异研究提供理论支撑；包括以下步骤：

步骤1：在Geant4源项模块中构建粒子全方向能谱入射源项模型，包括源项的位置信息、方向信息和能量信息；详细步骤如下：

步骤1-1：全方向入射的源项为球面源，通过Geant4提供的均匀分布随机变量和球的极坐标方程构建一球面(下面称为球1)，并确定源的位置；具体方法为：

θ

z

G4UniformRand()为Geant4提供的标准均匀分布的随机变量，R

步骤1-2：通过Geant4提供的均匀分布随机变量和球的极坐标方程构建辅助球面(下面称为球2)，通过球2和方向判定函数确定源的方向；具体方法为：

θ

z

x

f(R

R

步骤1-3：由G4UniformRand()实现0～1的均匀抽样，确定需要模拟空间轨道粒子能谱的概率分布函数，并通过对概率分布函数的因变量均匀抽样，再映射到对应的能谱值，从而确定源的能量；

步骤2：在Geant4提供的数据统计模块SteppingAction、EventAction和RunAction中，通过Geant4提供的粒子当前step所在的几何体判断函数，判定当前粒子是否打到样品上，确定有效粒子数，若是，在EventAction对粒子计数置1，否则置0，并将结果累加计入到RunAction中。

本发明具有以下有益效果：

1.基于Geant4构建的粒子全方向能谱入射模型可开展粒子的单能全方向入射模拟，与单能单方向对比可分析空地辐射环境的方向差异对样品的影响。

2.基于Geant4构建的粒子全方向能谱入射模型可开展粒子的能谱全方向入射模拟，与单能全方向对比可分析空地辐射环境的能量差异对样品的影响。

3.在粒子全方向能谱入射模型中嵌入了有效粒子数的统计，满足了对于空间辐射效应中需要统计粒子通量的需求。

4.基于Geant4构建的粒子全方向能谱入射模型，可实现对空间轨道不同粒子的能谱全方向入射模拟，一定程度上弥补地面模拟试验条件受限带来的不足，为开展空地辐射环境差异研究提供理论支撑。

附图说明

图1为粒子全方向能谱入射方法的流程图。

图2为源的方向判定函数说明图。

图3为地球同步轨道质子能谱概率分布函数。

图4为粒子全方向能谱入射模型的Geant4可视化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为粒子全方向能谱入射方法的流程图，下面结合案例作具体说明，步骤如下：

步骤1：搭建Geant4平台，并创建管理模块，用于初始化探测结构类、物理过程类、载入命令和可视化管理；

步骤2：在Geant4探测器结构模块中构建探测器模型，包括探测器的结构、尺寸、材料和位置信息。本案例中，探测器模型用的是GaAs长方体薄片，尺寸为1cm×1cm×1mm，其中心坐标为(0,0,0)；

步骤3：在Geant4物理过程模块中构建粒子输运包含的物理过程。本案例中，物理过程用的是Geant4提供的QBBC物理模型，此模型适用于医学和空间辐射环境的模拟；

步骤4：在Geant4源项模块中构建粒子全方向能谱入射源项模型，包括源项的位置信息、方向信息和能量信息。详细步骤如下：

步骤4-1：全方向入射的源项为球面源，通过Geant4提供的均匀分布随机变量和球的极坐标方程构建一球面(下面称为球1)，并确定源的位置。具体方法为：

θ

z

G4UniformRand()为Geant4提供的标准均匀分布的随机变量，R

步骤4-2：通过Geant4提供的均匀分布随机变量和球的极坐标方程构建辅助球面(下面称为球2)，通过球2和方向判定函数确定源的方向。具体方法为：

θ

z

x

f(R

R

如图2所示，球1球心：O(0,0,0)，球1面的均匀抽样点：A(x

f(R

当

步骤4-3：由G4UniformRand()实现0～1的均匀抽样，确定需要模拟空间轨道粒子能谱的概率分布函数，并通过对概率分布函数的因变量均匀抽样，再映射到对应的能谱值，从而确定源的能量。本案例中，R

步骤5：在Geant4提供的数据统计模块SteppingAction、EventAction和RunAction中，通过Geant4提供的粒子当前step所在的几何体判断函数，判定当前粒子是否打到样品上，确定有效粒子数，若是，在EventAction对粒子计数置1，否则置0，并将结果累加计入到RunAction中。本案例中，入射粒子数设为100000，有效粒子数占比24.53％；

步骤6：通过管理模块组织编译生成可执行文件，通过运行可执行文件即可实现粒子的全方向能谱入射模拟。图4为本案例Geant4的可视化结果。

以上内容是针对具体方案对粒子的全方向能谱入射方法的进一步阐述，未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。