RBS方法中的蒙特卡羅并行計(jì)算研究

付濤+張麗然

摘要：本文利用corteo在Cluster集群運(yùn)行全蒙特卡羅計(jì)算，其計(jì)算速度可以通過增加計(jì)算節(jié)點(diǎn)而得到成倍的提升。通過引入并行的corteo程序來模擬計(jì)算盧瑟福背散射能譜，可以在較短的時(shí)間內(nèi)模擬足夠多的粒子數(shù)來達(dá)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(shí)問題。

關(guān)鍵詞：氚分析RBS方法；Monte Carlo； 模擬并行計(jì)算

1. 引言

精確地測(cè)量材料中氚的含量及深度分布對(duì)于核聚變研究和核技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)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(cè)（ERDA）、核反應(yīng)分析（NRA）、增強(qiáng)質(zhì)子背散射分析（EPBS）、粒子誘發(fā)X射線熒光分析（PIXE）、低能粒子散射（LEIS）、溝道效應(yīng)（Channelling）以及粒子誘發(fā)射線分析（PIGE）、掃描離子透射顯微鏡（STIM）、離子致發(fā)光（IL）等。這些技術(shù)的研究與應(yīng)用，極大地促進(jìn)了交叉學(xué)科的發(fā)展，為新材料、新器件、新能源的開發(fā)做出了巨大的貢獻(xiàn)[1-7]。盧瑟福背散射（RBS）[8]作為一種簡(jiǎn)便方便的氚分析方法，它通過探測(cè)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(cè)量材料表面的氚含量，在測(cè)量時(shí)將含氚材料保持在氬氣環(huán)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(jìn)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(shù)據(jù)（即散射數(shù)據(jù)和截止能）的多線程程序。所有線程在相同的內(nèi)存中讀取中央數(shù)據(jù)信息。更具體地說CORTEO支持多線程但不能提供等節(jié)點(diǎn)（node）之間的信息傳遞。所以在集群上運(yùn)行CORTEO需要大量的工作。在集群上，需要單獨(dú)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(guó)Intel公司開發(fā)icc編譯器（Intel C++ Compiler）。這種編譯器計(jì)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(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所提供的64核（8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)8核）計(jì)算機(jī)進(jìn)行Cluster集群計(jì)算。在Cluster集群運(yùn)行全蒙特卡羅CORTEO首先需要在遠(yuǎn)端服務(wù)器上傳CORTEO文件夾（包含CORTEO程序源代碼和運(yùn)行所需組件），接著上傳輸入文件corteo.in（讀取自corteoUI.exe，設(shè)置了發(fā)射源、樣品、探測(cè)器等一系列參數(shù)）到Cluster所對(duì)應(yīng)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(jì)在集群上計(jì)算時(shí)間，可以將模擬粒子數(shù)適當(dāng)設(shè)置小一點(diǎn)，例如我們將鎢樣品模擬粒子數(shù)設(shè)置為109計(jì)算花了1 h，因此當(dāng)我們將模擬粒子數(shù)設(shè)置為1010時(shí)，時(shí)間就為10 h（同時(shí)也要觀察在測(cè)試計(jì)算中產(chǎn)生多少數(shù)據(jù)，以免集群在全速計(jì)算的時(shí)候不堪重負(fù)）。節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)置為1，因?yàn)槊總€(gè)工作是在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行。最后就要用到qsub命令向cluster提交任務(wù)，之前設(shè)置的corteo.pbs就是提交的內(nèi)容。我們向運(yùn)行界面輸入：qsub corteo.pbs，任務(wù)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(tǒng)當(dāng)中吸氣到適當(dāng)?shù)碾傲俊ｂ伳さ奈傲靠梢酝ㄟ^充氚系統(tǒng)壓強(qiáng)的變化，可以通過理想氣體狀態(tài)方程PVT計(jì)算得到。經(jīng)過PVT計(jì)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(yīng)該均勻否則氚的濃度會(huì)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(jīng)過EPBS方法測(cè)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(yīng)該均勻。

從圖1中我們可以看出，在PC機(jī)上做利用SIMNRA解析計(jì)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(wù)器上模擬計(jì)算得到的背散射能譜曲線很光滑。以上研究結(jié)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(shí)間內(nèi)模擬足夠多的粒子數(shù)來達(dá)到要求的精度，很好地解決了實(shí)際應(yīng)用中蒙特卡羅模擬的耗時(shí)問題。

3. 結(jié)論

基于蒙特卡羅串行程序CORTEO的基礎(chǔ)上發(fā)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(shí)問題，從而使該方法具有了更強(qiáng)的實(shí)用性。

圖1 2 MeV質(zhì)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(shí)驗(yàn)譜與SIMNRA和CORTEO兩種模擬軟件得到模擬譜的對(duì)比。

參考文獻(xiàn)

[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] 趙國(guó)慶，任熾剛，核分析技術(shù)，原子能出版社，北京，1989.

[6] 楊福家，趙國(guó)慶，離子束分析，復(fù)旦大學(xué)出版社，上海，1985.

[7] 楊福家，原子物理學(xué)，上海科學(xué)技術(shù)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