RBS方法中的蒙特卡罗并行计算研究

付涛+张丽然

摘要：本文利用corteo在Cluster集群運行全蒙特卡罗计算，其计算速度可以通过增加计算节点而得到成倍的提升。通过引入并行的corteo程序来模拟计算卢瑟福背散射能谱，可以在较短的时间内模拟足够多的粒子数来达到要求的精度，很好地解决了RBS方法中由于引入蒙特卡罗模拟而造成的耗时问题。

关键词：氚分析RBS方法；Monte Carlo； 模拟并行计算

1. 引言

精确地测量材料中氚的含量及深度分布对于核聚变研究和核技术应用等领域具有重要的意义。目前氚分析的方法有很多，较为常见的如：卢瑟福背散射（RBS）、弹性反冲探测（ERDA）、核反应分析（NRA）、增强质子背散射分析（EPBS）、粒子诱发X射线荧光分析（PIXE）、低能粒子散射（LEIS）、沟道效应（Channelling）以及粒子诱发射线分析（PIGE）、扫描离子透射显微镜（STIM）、离子致发光（IL）等。这些技术的研究与应用，极大地促进了交叉学科的发展，为新材料、新器件、新能源的开发做出了巨大的贡献[1-7]。卢瑟福背散射（RBS）[8]作为一种简便方便的氚分析方法，它通过探测背散射能谱来分析材料中的氚含量及其深度分布。为了精确测量材料表面的氚含量，在测量时将含氚材料保持在氩气环境中。背散射能谱的分析通常使用解析软件simnra[9]或者利用基于蒙特卡罗方法的模拟软件corteo[10]进行分析。

2. 蒙特卡罗并行程序

CORTEO是一种高度依赖由不同线程共享的中央数据（即散射数据和截止能）的多线程程序。所有线程在相同的内存中读取中央数据信息。更具体地说CORTEO支持多线程但不能提供等节点（node）之间的信息传递。所以在集群上运行CORTEO需要大量的工作。在集群上，需要单独使用特定于集群的编译器编译CORTEO。我们这里所用的集群的编译器是由美国Intel公司开发icc编译器（Intel C++ Compiler）。这种编译器计算速度比gcc（GNU Compiler Collection）快了近5～10%。此次，我们采用CORTEO程序在四川大学原子核科学技术研究所提供的64核（8个节点，每个节点8核）计算机进行Cluster集群计算。在Cluster集群运行全蒙特卡罗CORTEO首先需要在远端服务器上传CORTEO文件夹（包含CORTEO程序源代码和运行所需组件），接着上传输入文件corteo.in（读取自corteoUI.exe，设置了发射源、样品、探测器等一系列参数）到Cluster所对应的CORTEO子目录。然后使用特定于集群的编译器icc编译CORTEO。

为了估计在集群上计算时间，可以将模拟粒子数适当设置小一点，例如我们将钨样品模拟粒子数设置为109计算花了1 h，因此当我们将模拟粒子数设置为1010时，时间就为10 h（同时也要观察在测试计算中产生多少数据，以免集群在全速计算的时候不堪重负）。节点数设置为1，因为每个工作是在一个节点上运行。最后就要用到qsub命令向cluster提交任务，之前设置的corteo.pbs就是提交的内容。我们向运行界面输入：qsub corteo.pbs，任务提交完毕。

用于分析的Mo基底氚化钛薄膜的制备方法如下：首先在清洁光滑1 mm厚Mo基底表层蒸镀一层5 ？m钛膜，置于专用的充氚系统当中吸气到适当的氚量。钛膜的吸氚量可以通过充氚系统压强的变化，可以通过理想气体状态方程PVT计算得到。经过PVT计算得到钛膜样品中T/Ti原子比大约为1.51。在氚样品中氚的深度分布应该均匀否则氚的浓度会随着深度的增加而减少。在氦气和氩气混合气体中使用磁控溅射方法[60]在光滑1 mm厚Mo（或者Si）基体上镀一层大约1.5 ？m钛膜。经过EPBS方法测得钛薄膜样品中He/Ti原子比大约为0.6。在氦样品中氦的深度分布应该均匀。

从图1中我们可以看出，在PC机上做利用SIMNRA解析计算得到的背射线能谱曲线光滑度很差，尤其是在能谱低能端。而用CORTEO并行程序在服务器上模拟计算得到的背散射能谱曲线很光滑。以上研究结果表明，通过引入CORTEO并行程序来模拟RBS方法中的背散射，可以在较短的时间内模拟足够多的粒子数来达到要求的精度，很好地解决了实际应用中蒙特卡罗模拟的耗时问题。

3. 结论

基于蒙特卡罗串行程序CORTEO的基础上发展了蒙特卡罗并行程序。通过引入蒙特卡罗并行程序来模拟RBS方法中的背线谱，可以很好地解决RBS方法中引入蒙特卡罗模拟而造成的耗时问题，从而使该方法具有了更强的实用性。

图1 2 MeV质子垂直入射到Mo基底表层Ti（T）样品在165°散射角得到的背散射实验谱与SIMNRA和CORTEO两种模拟软件得到模拟谱的对比。

参考文献

[1] World Survey of Accelerator Based Analytical Techniques， IAEA.http：//www-naweb.iaea.org/napc/physics/AccelSurv/index.html.

[2] Malmqvist K G， Radiat. Phys. and Chem.， 2004， 71： 817.

[3] Dran J C， Calligaro T， Salomon J， et al.， Nucl. Instr. and Meth B， 2004， 7： 219.

[4] Tesmer J R， Nastasi M， Barbour J C， et al.， Handbook of Modern Ion Beam Materials Analysis， MRS， Pittsburg， USA.1995.

[5] 赵国庆，任炽刚，核分析技术，原子能出版社，北京，1989.

[6] 杨福家，赵国庆，离子束分析，复旦大学出版社，上海，1985.

[7] 杨福家，原子物理学，上海科学技术出版社，上海，1985.

[8]G. Amsel， Nucl. Instr. Meth.B 201 （2003） 325–388.

[9] Mayer M. SIMNRA Users Guide， Technical Report IPP 9/133， MPI für Plasmaphysik， Garching， Germany， 1997， http：//home.rzg.mpg.de/～mam/index.html.

[10] F. Schiettekatte， Nucl.Instr. Meth. B 266 （2008） 1880.endprint