EGS程序电子输运模型研究进展

　　EGS(Electron-Gamma Shower)是由美国斯坦福直线加速器中心免费提供的大型电子———光子簇射模拟通用程序软件包[1]。EGS自发布之后,在辐射物理和医学物理等方面得到了越来越广泛的应用。在辐射物理方面,主要计算加速器各部位的辐射剂量、设计屏蔽系统以及研制探测器等。在医学物理方面,主要用于计算人体中的剂量分布,优化治疗方案等。与此同时,EGS开发小组也对EGS程序(包括物理内核以及用户界面)进行不断的更新和完善,使之更加准确和方便,以满足各种不同用户的需要。

　　1　EGS简介[1-3]

　　EGS能够模拟的粒子能量范围比较广。1986年发布的EGS4版本中,带电粒子的动能范围从几十keV到几千GeV,光子能量范围可从1keV到几千GeV。元素和介质材料也很齐全,可提供前100种元素的截面数据,能完成电子和光子在前100号元素组成的任何物质的输运过程模拟。在对几何模型描述方面,EGS程序包括平面、圆柱、圆锥、球等基本模块,能够处理具有各种复杂形状的物理问题。

　　EGS具有开放式结构,PEGS4为离线数据处理程序,提供EGS4模拟粒子输运时所要用到的各种媒质数据。该程序包括12个子程序,85个函数,其输入文件可直接被EGS4调用。

　　EGS要求用户自己编写用户程序完成对源粒子特征的定义、几何关系处理、结果的记录和对EGS系统核心程序的调用[1,3]。具体的几何模块在用户子程序HOWFAR中给出,可以引入辅助程序,也可以在HOWFAR中按特定的方式定义粒子的输运环境(包括电场、磁场等)。用户所需的信息及结果的输出方式在用户子程序AUSGAB中规定。

　　2　EGS4电子输运模型框架

　　2·1　压缩历史理论

　　电子的输运比光子要复杂得多。用蒙特卡罗方法模拟电子,最大的问题在于电子的碰撞次数过于频繁。一个相对论电子在能量降低到不能再对媒质原子电离或者激发之前,会发生104-105次弹性碰撞和105-106非弹性碰撞。如果一个反应一个反应地跟踪电子,根本不可行,因此1960年Berger提出了他著名的“压缩历史理论[4]”,即将很多次反应压缩成一个“虚反应”。它通过抽样累积的角度偏转和能量损失分布,用一个步长的过程来代替多次弹性散射或非弹性散射,以节省计算时间。压缩历史理论是用蒙特卡罗方法模拟电子输运的基础。

　　2·2　电子输运模型框架[1]

　　EGS4中的电子输运主要由系统内部子程序ELECTR来实现。电子发生的反应被分成两大类:一种是非常剧烈的,它们往往很大程度上改变了电子的状态,被称为“灾难性的”反应,包括:

　　(1)大能量损失的Moller散射(e-e-→e-e-);

　　(2)大能量损失的Bhabha散射(e+e-→e+e-);