RBS方法中的蒙特卡羅并行計算研究

付濤+張麗然

摘要：本文利用corteo在Cluster集群運行全蒙特卡羅計算，其計算速度可以通過增加計算節點而得到成倍的提升。通過引入并行的corteo程序來模擬計算盧瑟福背散射能譜，可以在較短的時間內模擬足夠多的粒子數來達到要求的精度，很好地解決了RBS方法中由于引入蒙特卡羅模擬而造成的耗時問題。

關鍵詞：氚分析RBS方法；Monte Carlo； 模擬并行計算

1. 引言

精確地測量材料中氚的含量及深度分布對于核聚變研究和核技術應用等領域具有重要的意義。目前氚分析的方法有很多，較為常見的如：盧瑟福背散射（RBS）、彈性反沖探測（ERDA）、核反應分析（NRA）、增強質子背散射分析（EPBS）、粒子誘發X射線熒光分析（PIXE）、低能粒子散射（LEIS）、溝道效應（Channelling）以及粒子誘發射線分析（PIGE）、掃描離子透射顯微鏡（STIM）、離子致發光（IL）等。這些技術的研究與應用，極大地促進了交叉學科的發展，為新材料、新器件、新能源的開發做出了巨大的貢獻[1-7]。盧瑟福背散射（RBS）[8]作為一種簡便方便的氚分析方法，它通過探測背散射能譜來分析材料中的氚含量及其深度分布。為了精確測量材料表面的氚含量，在測量時將含氚材料保持在氬氣環境中。背散射能譜的分析通常使用解析軟件simnra[9]或者利用基于蒙特卡羅方法的模擬軟件corteo[10]進行分析。

2. 蒙特卡羅并行程序

CORTEO是一種高度依賴由不同線程共享的中央數據（即散射數據和截止能）的多線程程序。所有線程在相同的內存中讀取中央數據信息。更具體地說CORTEO支持多線程但不能提供等節點（node）之間的信息傳遞。所以在集群上運行CORTEO需要大量的工作。在集群上，需要單獨使用特定于集群的編譯器編譯CORTEO。我們這里所用的集群的編譯器是由美國Intel公司開發icc編譯器（Intel C++ Compiler）。這種編譯器計算速度比gcc（GNU Compiler Collection）快了近5～10%。此次，我們采用CORTEO程序在四川大學原子核科學技術研究所提供的64核（8個節點，每個節點8核）計算機進行Cluster集群計算。在Cluster集群運行全蒙特卡羅CORTEO首先需要在遠端服務器上傳CORTEO文件夾（包含CORTEO程序源代碼和運行所需組件），接著上傳輸入文件corteo.in（讀取自corteoUI.exe，設置了發射源、樣品、探測器等一系列參數）到Cluster所對應的CORTEO子目錄。然后使用特定于集群的編譯器icc編譯CORTEO。

為了估計在集群上計算時間，可以將模擬粒子數適當設置小一點，例如我們將鎢樣品模擬粒子數設置為109計算花了1 h，因此當我們將模擬粒子數設置為1010時，時間就為10 h（同時也要觀察在測試計算中產生多少數據，以免集群在全速計算的時候不堪重負）。節點數設置為1，因為每個工作是在一個節點上運行。最后就要用到qsub命令向cluster提交任務，之前設置的corteo.pbs就是提交的內容。我們向運行界面輸入：qsub corteo.pbs，任務提交完畢。

用于分析的Mo基底氚化鈦薄膜的制備方法如下：首先在清潔光滑1 mm厚Mo基底表層蒸鍍一層5 ？m鈦膜，置于專用的充氚系統當中吸氣到適當的氚量。鈦膜的吸氚量可以通過充氚系統壓強的變化，可以通過理想氣體狀態方程PVT計算得到。經過PVT計算得到鈦膜樣品中T/Ti原子比大約為1.51。在氚樣品中氚的深度分布應該均勻否則氚的濃度會隨著深度的增加而減少。在氦氣和氬氣混合氣體中使用磁控濺射方法[60]在光滑1 mm厚Mo（或者Si）基體上鍍一層大約1.5 ？m鈦膜。經過EPBS方法測得鈦薄膜樣品中He/Ti原子比大約為0.6。在氦樣品中氦的深度分布應該均勻。

從圖1中我們可以看出，在PC機上做利用SIMNRA解析計算得到的背射線能譜曲線光滑度很差，尤其是在能譜低能端。而用CORTEO并行程序在服務器上模擬計算得到的背散射能譜曲線很光滑。以上研究結果表明，通過引入CORTEO并行程序來模擬RBS方法中的背散射，可以在較短的時間內模擬足夠多的粒子數來達到要求的精度，很好地解決了實際應用中蒙特卡羅模擬的耗時問題。

3. 結論

基于蒙特卡羅串行程序CORTEO的基礎上發展了蒙特卡羅并行程序。通過引入蒙特卡羅并行程序來模擬RBS方法中的背線譜，可以很好地解決RBS方法中引入蒙特卡羅模擬而造成的耗時問題，從而使該方法具有了更強的實用性。

圖1 2 MeV質子垂直入射到Mo基底表層Ti（T）樣品在165°散射角得到的背散射實驗譜與SIMNRA和CORTEO兩種模擬軟件得到模擬譜的對比。

參考文獻

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