【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及材料的電離輻射計算模擬領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)雜化合物電子阻止本領(lǐng)的模擬計算方法。
技術(shù)介紹
1、復(fù)雜化合物是指與化學單質(zhì)相比，具有較多原子和多種成鍵及分子間相互作用（如氫鍵）的多原子化合物，如水，生物分子等。復(fù)雜化合物通常具有復(fù)雜的分子構(gòu)型和非晶無序分子排布。在對復(fù)雜化合物輻照時，飛行離子通過與復(fù)雜化合物中的電子以及原子核的碰撞，不斷將能量轉(zhuǎn)移到化合物的電子和原子核。在離子的單位長度軌跡上傳遞的總能量稱為化合物對入射離子的阻止本領(lǐng)。與電子和原子核作用導(dǎo)致的阻止本領(lǐng)分別被稱為電子阻止本領(lǐng)和核阻止本領(lǐng)。其中，在輻射效應(yīng)顯著的bragg峰區(qū)，電子阻止本領(lǐng)為主要成分。電子阻止本領(lǐng)對大多數(shù)離子輻照相關(guān)的應(yīng)用至關(guān)重要，包括但不限于輻射腫瘤治療、輻射材料改性、下一代電力技術(shù)、空間輻射對宇航員、航天器組件和機載設(shè)備的損傷和破壞效應(yīng)等。
2、當前在電離輻射劑量領(lǐng)域電子阻止本領(lǐng)的主流計算方法，如?srim?軟件等，主要是從簡化理論近似出發(fā)，根據(jù)已有單質(zhì)的電子阻止本領(lǐng)數(shù)據(jù)，用線性組合等經(jīng)驗法則，輔以經(jīng)驗修正項，并借助可調(diào)擬合參數(shù)，力求與有限的阻止本領(lǐng)實驗數(shù)據(jù)吻合。一方面，由于實驗成本較高，對多種多樣的復(fù)雜靶材和離子組合，電子阻止本領(lǐng)的測量數(shù)據(jù)有限；另一方面經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭械慕M合參數(shù)和可調(diào)參數(shù)的物理意義和適用范圍仍存在爭議。
3、近年來，隨著各種從頭計算模擬技術(shù)的發(fā)展，實時含時密度泛函理論（rt-tddft）已被成功應(yīng)用于模擬不同能量范圍的電子激發(fā)和電離。rt-tddft?有望成為準確計算材料電子阻止本領(lǐng)的有效手段。但是，
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、針對現(xiàn)有技術(shù)以及存在的問題，本專利技術(shù)提供一種復(fù)雜化合物電子阻止本領(lǐng)的模擬計算方法。
2、本專利技術(shù)采取如下技術(shù)方案：
3、一種復(fù)雜化合物電子阻止本領(lǐng)的模擬計算方法，包括以下步驟：
4、s1：根據(jù)化合物靶材的分子組成，用計算機模擬構(gòu)建靶材的微觀全原子分子結(jié)構(gòu)，得到化合物靶材平衡態(tài)模擬樣本；
5、s2：隨機生成10000條以上的穿越s1中所述的化合物靶材平衡態(tài)模擬樣本的納米級離子運動軌跡，記錄并統(tǒng)計離子穿越過程中與靶材中各類原子最近距離的目標分布函數(shù)組；
6、s3：從s2中所述的納米級離子運動軌跡中篩選出10-100條短軌跡，所述短軌跡對應(yīng)的最近距離分布函數(shù)與s2中目標分布函數(shù)組的綜合重疊指數(shù)達到95%以上;
7、s4：用含時密度泛函方法模擬離子沿s3中篩選出的各短軌跡穿越化合物靶材的過程，記錄系統(tǒng)能量變化，計算并獲取靶材對離子的電子阻止本領(lǐng)。
8、選優(yōu)的，步驟s1所述的化合物靶材的分子組成包括：組分分子式、化學鍵信息、宏觀密度、代表性樣本尺寸參數(shù)等。
9、選優(yōu)的，步驟s1所述的構(gòu)建靶材的微觀全原子分子結(jié)構(gòu)的方法為：首先構(gòu)建一個單邊尺寸20納米的化合物分子的正交模擬單元，根據(jù)模擬單元體積、靶材密度和分子量，計算填充模擬單元所需的靶材分子數(shù)，在模擬單元中隨機放入對應(yīng)數(shù)量的分子，對模擬單元施加周期邊界條件模擬宏觀尺寸的化合物靶材；用經(jīng)典或從頭計算的分子動力學方法對材料進行幾何優(yōu)化和平衡，得到化合物靶材平衡態(tài)模擬樣本。
10、選優(yōu)的，步驟s2所述的納米級離子運動軌跡的生成方法為：在模擬單元內(nèi)沿隨機方向生成大量（使得軌跡的總長度達到宏觀尺度）納米級別長度的軌跡作為候選樣本，計算樣本軌跡上不同位置的離子與靶材組分原子的最近距離，舍棄在軌跡起始和末尾的2范圍內(nèi)存在碰撞參數(shù)小于0.8的樣本，以排除在單個軌跡的起始和終點發(fā)生急劇碰撞導(dǎo)致的計算不確定性，消除由于周期邊界條件引起的鏡像激發(fā)的影響以及后續(xù)模擬中初始瞬態(tài)的影響。
11、選優(yōu)的，步驟s2中統(tǒng)計目標分布函數(shù)組的方法為：將離子沿著隨機方向穿越靶材的各直線軌跡離散成間距為0.1nm的記錄點，求出位于各位置點處的離子與靶材分子的不同組分元素的最近距離，以為自變量繪制出現(xiàn)的累積次數(shù)的直方圖，并進行歸一化，得到離子與靶材分子的各類原子最近距離的目標分布函數(shù)組。
12、s3中的綜合分布重疊指數(shù)的計算方法為：依據(jù)s2所述的目標分布函數(shù)組的統(tǒng)計結(jié)果，首先分別計算各篩選的短軌跡與靶材中各元素對應(yīng)的分布函數(shù)與目標分布函數(shù)組的重疊指數(shù)：
13、；
14、其中，為各篩選的短軌跡對應(yīng)的離子與x原子最近距離的分布函數(shù)，為離子與x原子最近距離的目標分布函數(shù)組。
15、其次以各元素x在化合物中的總電子數(shù)，即原子個數(shù)乘以單原子的電子個數(shù)，為權(quán)重，計算綜合重疊指數(shù)：。
16、由此，對于包含多個重要組分原子的復(fù)雜化合物，使用各原子的電子數(shù)表征它們對軌跡抽樣的重要性，并分配分布函數(shù)的實現(xiàn)權(quán)重，可以得到對化合物整體優(yōu)化的離子碰撞幾率，以提高被選離子軌跡用于化合物電子阻止本領(lǐng)模擬計算的統(tǒng)計正確性。以此綜合重疊指數(shù)作為量化標準的軌跡篩選方法可以實現(xiàn)多元素碰撞分布的最優(yōu)正確抽樣。
17、選優(yōu)的，步驟s3所述的篩選短軌跡的方式包括：任何可實現(xiàn)以綜合重疊指數(shù)最大化或達到95%以上（接近100%）為優(yōu)化目標的算法或數(shù)學規(guī)劃方法，如動態(tài)規(guī)劃、貪心算法以及各類型啟發(fā)式優(yōu)化算法等。篩選算法具備的核心原則應(yīng)該是：隨著被選軌跡數(shù)的增加，所選軌跡組合與目標最近距離的分布函數(shù)的匹配程度（用綜合重疊指數(shù)量化）保持增加，且當前被選的軌跡是所有候選樣本中對重疊指數(shù)貢獻最大的一條。
18、選優(yōu)的，步驟s4所述的含時密度泛函方法包括：使用實時含時密度泛函（rt-tddft）方法，結(jié)合s1所述的靶材平衡態(tài)模型和s3所述的被選離子軌跡組合，設(shè)離子具有確定的入射速度，選擇全電子基組和廣義梯度（gga）交換關(guān)聯(lián)函數(shù)，選擇可逆演化算法進行系統(tǒng)的全電子含時密度泛函的微正則系綜演化模擬。
19、選優(yōu)的，步驟s4所述的分析靶材對該離子的電子阻止本領(lǐng)的方法包括：從含時密度泛函模擬中獲取長度為的被選軌跡上離子-靶材系統(tǒng)的能量增加，即為使飛行離子克服電子阻止且保持其動能所需的外力所作的功，并將化合物靶材對速度為的該離子的電子阻止本領(lǐng)記為：所有被選中的短軌跡對應(yīng)的的算術(shù)平均值即為靶材對離子的電子阻止本領(lǐng)。該模擬結(jié)果可認為與實驗觀測值有效對應(yīng)。
20、模擬系統(tǒng)中對離子飛行速度不變的約束和微正則系綜的結(jié)合，可以解決一般離子無約束模擬中由離子速度下降導(dǎo)致的速度和能量自變量改變引起的誤差，也將離子能損巧妙轉(zhuǎn)化成了本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種復(fù)雜化合物電子阻止本領(lǐng)的模擬計算方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)雜化合物電子阻止本領(lǐng)的模擬計算方法，其特征在于，S1所述的模擬構(gòu)建靶材的微觀全原子分子結(jié)構(gòu)的方法為：首先構(gòu)建一個單邊尺寸20納米的化合物分子的正交模擬單元，根據(jù)模擬單元體積、靶材密度和分子量，計算填充模擬單元所需的靶材分子數(shù)，在模擬單元中隨機放入對應(yīng)數(shù)量的分子，對模擬單元施加周期邊界條件模擬宏觀尺寸的化合物靶材；其次用經(jīng)典或從頭計算的分子動力學方法對材料進行幾何優(yōu)化和平衡，得到化合物靶材平衡態(tài)模擬樣本。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)雜化合物電子阻止本領(lǐng)的模擬計算方法，其特征在于，S3中所述的納米級離子運動軌跡的生成方法為：在模擬單元內(nèi)沿隨機方向生成10000條以上的納米級長度的軌跡作為候選樣本，計算樣本軌跡上不同位置與靶材原子的最近距離，舍棄在軌跡起始和末尾的2范圍內(nèi)存在碰撞參數(shù)小于0.8的樣本，以排除在單個軌跡的起始和終點發(fā)生急劇碰撞導(dǎo)致的計算不確定性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)雜化合物電子阻止本領(lǐng)的模擬計算方法，其特征在于，S4中
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種復(fù)雜化合物電子阻止本領(lǐng)的模擬計算方法，其特征在于，S4中化合物靶材對離子的電子阻止本領(lǐng)的分析方法為：在含時密度泛函模擬中，設(shè)定離子以固定速度與動能入射，獲取長度為的短軌跡上離子-靶材系統(tǒng)的能量增加，即為使飛行離子克服電子阻止且保持其動能所需的外力所作的功，并計化合物靶材對速度為的離子的電子阻止本領(lǐng)為：，所有被選中的短軌跡對應(yīng)的的算術(shù)平均值即為靶材對離子的電子阻止本領(lǐng)。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種復(fù)雜化合物電子阻止本領(lǐng)的模擬計算方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)雜化合物電子阻止本領(lǐng)的模擬計算方法，其特征在于，s1所述的模擬構(gòu)建靶材的微觀全原子分子結(jié)構(gòu)的方法為：首先構(gòu)建一個單邊尺寸20納米的化合物分子的正交模擬單元，根據(jù)模擬單元體積、靶材密度和分子量，計算填充模擬單元所需的靶材分子數(shù)，在模擬單元中隨機放入對應(yīng)數(shù)量的分子，對模擬單元施加周期邊界條件模擬宏觀尺寸的化合物靶材；其次用經(jīng)典或從頭計算的分子動力學方法對材料進行幾何優(yōu)化和平衡，得到化合物靶材平衡態(tài)模擬樣本。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)雜化合物電子阻止本領(lǐng)的模擬計算方法，其特征在于，s3中所述的納米級離子運動軌跡的生成方法為：在模擬單元內(nèi)沿隨機方向生成10000條以上的納米級長度的軌跡作為候選樣本，計算樣本軌跡上不同位置與靶材原子的最近距離，舍棄在軌跡起始和末尾的2范圍內(nèi)存在碰撞參數(shù)小于0.8的樣本，以排除在單個軌跡的起始和...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：方樂程，陸振政，柴唐葉新，顧斌，
申請(專利權(quán))人：南京信息工程大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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