Monte Carlo Computer Simulation Method for Solving the Problem of Particle Passage through Matter

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The Monte Carlo method is compared with the deterministic methods based on the solution of the transport equation and the molecular dynamics methods. The capabilities of commonly used general-purpose programs (SRIM, PENELOPE, MCNP, FLUKA, and GEANT4) for Monte Carlo simulation of the processes of particle passage through matter are analyzed. Possible ways for further development of the Monte Carlo method are discussed.

About the authors

N. V. Novikov

Moscow State University, Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics

Author for correspondence.
Email: nvnovikov65@mail.ru
Russia, 119991, Moscow

References

  1. Nuclotron-Based Ion Collider fAcility (NICA). https:// nica.jinr.ru/ru/
  2. Adams J., Aggarwal M.M., Ahammed Z. et al. // Nucl. Phys. A. 2005. V. 757. P. 102. https://doi.org/10.1016/j.nuclphysa.2005.03.085
  3. Aad G., Abajyan T., Abbott B. et al. (ATLAS Collaboration) // Phys. Lett. B. 2012. V. 716. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.physletb.2012.08.020
  4. Chatrchyan S., Khachatryan V., Sirunyan A.M. et al. (CMS Collaboration) // Phys. Lett. B. 2012. V. 716. P. 30. https://doi.org/10.1016/j.physletb.2012.08.021
  5. Модель космоса. Т. II. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов / Ред. Новиков Л.С. М.: Изд-во НИИЯФ МГУ, 2007. 1145 с.
  6. Рубин С.Г. Устройство нашей Вселенной. Фрязино: Век-2, 2006, 312 с.
  7. Панасюк М.И. Странники Вселенной или эхо Большого взрыва. Фрязино: Век-2, 2005. 184 с.
  8. Акишин А.И. Космическое материаловедение. М.: НИИЯФ МГУ, 2007. С. 209.
  9. Чумаков А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы. М.: Радио и связь, 2004. 320 с.
  10. Зебрев Г.И. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах высокой степени интеграции. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. 148 с.
  11. Таперо К.И., Улимов В.Н., Членов А.М. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения. М.: Изд-во БИНОМ Лаборатория знаний, 2014. 302 с.
  12. Zhang Y., Weber W. J. // Appl. Phys. Rev. 2020. V. 7. P. 041307. https://doi.org/10.1063/5.0027462
  13. Lindhard J., Nielsen V., Scharff M. et al. // Mat. Fys. Medd. Dan. Vid. Selsk. 1963. V. 33. № 10. P. 1.
  14. Лейман К. Взаимодействие излучения с твердым телом и образование элементарных дефектов. М.: Атомиздат, 1979. 295 с.
  15. Nordlund K. // J. Nucl. Mater. 2019. V. 520. P. 273. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2019.04.028
  16. Chen S., Tamagno P., Bernard D. et al. // Results Phys. 2020. V. 7. P. 03023. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2020.103023
  17. Novikov N.V., Chechenin N.G., Shirokova A.A. // Rad. Eff. Defects Solids. 2021. V. 176. P. 1107. https://doi.org/10.1080/10420150.2021.2007915
  18. Incerti S., Baldacchuno G., Bernal M. et al. // Int. J. Model. Simul. Sci. Comput. 2010. V. 1. P. 157. https://doi.org/10.1142/S1793962310000122
  19. Комаров Ф.Ф. // УФН. 2017. Т. 187. С. 465. https://doi.org/10.3367/UFNr.2016.10.038012
  20. Lewis H.W. // Phys. Rev. 1950. V. 78. P. 526. https://doi.org/10.1103/PhysRev.78.526
  21. Калашников Н.П., Ремизович В.С., Рязанов М.И. Столкновения быстрых заряженных частиц в твердых телах. М.: Атомиздат, 1980. 272 с.
  22. Аккерман А.Ф. Моделирование траекторий заряженных частиц в веществе. М.: Энергоатомиздат, 1991. 200 с.
  23. Wood W.W., Parker F.R. // J. Chem. Phys. 1957. V. 27. P. 720. https://doi.org/10.1063/1.1743822
  24. Plimpton S. // J. Comput. Phys. 1995. V. 117. P. 1. https://doi.org/10.1006/jcph.1995.1039
  25. Ulam S.M., Neumann J. // Bull. Amer. Math. Soc. 1947. V. 53. P. 1120.
  26. Metropolis N., Ulam S. // J. Am. Stat. Assoc. 1949. V. 44. № 247. P. 335.
  27. Соболь И.М. Метод Монте-Карло. М.: Наука, 1968. 80 с.
  28. Brown D.A., Chadwick M.B., Capote R. et al. // Nucl. Data Sheets. 2018. V. 148. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.nds.2018.02.001
  29. Robinson M.T., Torrens I.M. // Phys. Rev. B. 1974. V. 9. P. 5008.
  30. Robinson M.T. // Phys Rev. B. 1989. V. 40. P. 10717.
  31. Shulga V.I. // Rad. Eff. Defects Solids. 1984. V. 82. P. 169.
  32. Шульга В.И. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2019. № 6. С. 109. https://doi.org/10.1134/S0207352819060131
  33. Ziegler J.F., Ziegler M.D., Biersack J.P. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2010. V. 268. P. 1818. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2010.02.091
  34. Ziegler J.P., Biersack J.P., Littmark U. The Stopping and Range of Ions in Solids. N.Y.: Rergamon Press, 1985.
  35. Белкова Ю.А., Новиков Н.В., Теплова Я.А. Экспериментальные и теоретические исследования процессов взаимодействия ионов с веществом. М.: НИИЯФ МГУ, 2019. 233 с.
  36. Paul H. Stopping Power Graphs. www.exphys.uni-linz.ac.at/stopping/.
  37. Brandt W., Kitagawa M. // Phys. Rev. B. 1982. V. 25. P. 5631. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.25.5631
  38. Novikov N.V. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2021. V. 506. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2021.09.002
  39. Novikov N.V. // Rad. Phys. Chem. 2021. V. 189. P. 109699. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2021.109699
  40. Новиков Н.В., Теплова Я.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2020. № 3. С. 32. https://doi.org/10.31857/S1028096020030140
  41. Bragg W.H., Kleeman R. // Phil. Mag. 1905. V. 10. P. 318.
  42. Sigmund P. Particle Penetration and Radiation Effects. Volume 2: Penetration of Atomic and Molecular Ions. N.Y.–Dordrecht–London: Springer Cham Heidelberg, 2014. 602 p.
  43. Kinchin G.H., Pease R.S. // Rep. Prog. Phys. 1955. V. 18. P. 1. https://doi.org/10.1088/0034-4885/18/1/301
  44. Sempau J., Fernandez-Varea J.M., Acosta E., Salvat F. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2003. V. 207. P. 107. https://doi.org/10.1016/S0168-583X(03)00453-1
  45. Goorley T., James M., Booth T., Brown F. et al. // Nucl. Technol. 2012. V. 180. P. 298. https://doi.org/10.13182/NT11-135
  46. Chadwick M.B., Oblozinsky P., Herman M. et al. (CSEWG Collaboration) // Nucl. Data Sheets. 2006. V. 107. P. 2931. https://doi.org/10.1016/j.nds.2006.11.001
  47. MacFarlane R.E., Muir D.W. The NJOY Nuclear Data Processing System. Version 91, Los Alamos National Laboratory Report LA-12740-M. 1994.
  48. Ferrari A., Sala P.R., Fasso A., Ranft J., FLUKA: a Multi-Particle Transport code. CERN-2005-10, INFN/ TC 05/11, SLAC-R-773. 2005. www.fluka.org/fluka.php
  49. Battistoni G., Cerutti F., Fasso A., Ferrari A., Muraro S., Ranft J., Roesle S., Sala P.R. // AIP Conf. Proc. 2007. V. 896. P. 31. https://doi.org/10.1063/1.2720455
  50. Vlachoudis V. FLAIR: FLUKA Advanced Interface. http://www.fluka.org/flair
  51. Ferrari A., Sala P.R., Guaraldi R., Padoani F. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 1992. V. 71. P. 412. https://doi.org/10.1016/0168-583X(92)95359-Y
  52. Ferrari A., Sala P.R. // Proc. Workshop on Nuclear Reaction Data and Nuclear Reactors Physics, Design and Safety / Eds. Gandini A., Reffo G. 1998. V. 2. P. 424.
  53. Collazuol G., Ferrari A., Guglielmi A., Sala PR. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2000. V. 449. P. 609. https://doi.org/10.1016/S0168-9002(00)00152-2
  54. Bohlen T.T., Cerutti F., Chin M.P.W. et al. // Nucl. Data Sheets. 2014. V. 120. P. 211. https://doi.org/10.1016/j.nds.2014.07.049
  55. Glauber R.J., Matthiae G. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 1970. V. 21. P. 135. https://doi.org/10.1016/0550-3213(70)90511-0
  56. Gribov V.N. // Sov. Phys. JETP. 1969. V. 29. P. 483.
  57. Capella A., Sukhatme U., Tan C.-I., Tran J. // Phys. Rep. 1994. V. 236. P. 225. https://doi.org/10.1016/0370-1573(94)90064-7
  58. Allison J., Amako K., Apostolakis J. et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2016. V. 835. P. 186. http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2016.06.125 (geant4.web.cern.ch)
  59. Campbell J.L., Hopman T.L., Maxwell J.A., Nejedly Z. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2000. V. 170. P. 193. https://doi.org/10.1016/S0168-583X(00)00156-7
  60. Capote R., Herman M., Oblozinsky P. et al. // Nucl. Data Sheets. 2009. V. 110. P. 3107. https://doi.org/10.1016/j.nds.2009.10.004
  61. Fesefeldt H.C. Simulation of Hadronic Showers, Physics and Application. Technical Report PITHA 85-02. 1985. https://inspirehep.net/literature/17633
  62. Glauber R.J. // High Energy Physics and Nuclear Structure / Ed. Devons S. New York: Plenum Press, 1970. P. 207.
  63. Degtyarenko P.V., Kossov M.V., Wellisch H.P. // Eur. Phys. J. A. 2000. V. 8. P. 217. https://doi.org/10.1007/s100500070108
  64. Kossov M.V. // Eur. Phys. J. A. 2002. V. 14. P. 265. https://doi.org/10.1140/epja/i2001-10211-3
  65. Niita K., Chiba S., Maruyama T., Maruyama T., Takada H., Fukahori T., Nakahara Y., Iwamoto A. // Phys. Rev. C. 1995. V. 52. P. 2620. https://doi.org/10.1103/PhysRevC.52.2620
  66. Bertini H.W. // Phys. Rev. 1963. V. 131. P. 1801. https://doi.org/10.1103/PhysRev.131.1801
  67. Folger G., Ivanchenko V., Wellisch J.P. // Eur. Phys. J. A. 2004. V. 21. P. 407. https://doi.org/10.1140/epja/i2003-10219-7
  68. Boudard A., Cugnon J., David J.-C., Leray S., Mancusi D. // Phys. Rev. C. 2013. V. 87. P. 014606. https://doi.org/10.1103/PhysRevC.87.014606
  69. Nilsson-Almqvist B., Stenlund E. // Comput. Phys. Commun. 1987. V. 43. P. 387. https://doi.org/10.1016/0010-4655(87)90056-7
  70. Kaidalov A.B. // Phys. Lett. B. 1982. V. 116. P. 459. https://doi.org/10.1016/0370-2693(82)90168-X
  71. Andersson B., Gustafson G., Ingelman G., Sjostrand T. // Phys. Rep. 1983. V. 97. P. 31. https://doi.org/10.1016/0370-1573(83)90080-7
  72. Brandt W., Lapicki G. // Phys. Rev. A. 1981. V. 23. P. 1717. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.23.1717
  73. Rochman D., Koning A.J., Sublet J.Ch., Fleming M. et al. // EPJ Web Conf. 2017. V. 146. P. 02006. https://doi.org/10.1051/epjconf/201714602006
  74. Koning A.J., Rochman D. // Nucl. Data Sheets. 2012. V. 113. P. 2841. https://10.1016/j.nds.2012.11.002(http://www.talys.eu)
  75. Koning A., Delaroche J. // Nucl. Phys. A. 2003. V. 713. P. 231. https://doi.org/10.1016/S0375-9474(02)01321-0
  76. Chytracek R., McCormick J., Pokorski W., Santin G. // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2006. V. 53. P. 2892. https://doi.org/10.1109/TNS.2006.881062

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Н.В. Новиков

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».