重离子在碳化硅中的输运过程及能量损失

利用蒙特卡罗方法,模拟计算了不同线性能量传输(liner energy transfer, LET)的重离子在碳化硅中的能量损失,模拟结果表明:重离子在碳化硅中单位深度的能量损失受离子能量和入射深度共同影响;能量损失主要由初级重离子和次级电子产生,非电离能量损失只占总能量损失的1%左右;随着LET的增大,次级电子的初始角度和能量分布越来越集中;重离子诱导产生的电荷沉积峰值位置在重离子径迹中心,在垂直于入射深度方向上呈高斯线性减小分布.利用锎源进行碳化硅MOSFET单粒子烧毁试验,结合TCAD模拟得到不同漏极电压下器件内部电场分布,在考虑电场作用的蒙特卡罗模拟中发现:碳化硅MOSFET外延层的电场强度越大,重离子受电场作用在外延层运动的路径越长、沉积能量越多,次级电子越容易偏向电场方向运动导致局部能量沉积过高.     

基于FLUKA平台的重离子治癌模拟实验

重离子治癌是指利用大型重离子加速器产生的高能带电重离子束辐照病灶来治疗恶性肿瘤的一种新型放射治疗方法.与传统的常规放射治疗方法相比,重离子束治疗癌症具有特殊的布拉格峰和高RBE优势.相关研究目前已成为放射治疗领域的前沿和热点,同时作为核科学前沿也常被引入到相关专业教学中,由于使用大型重离子加速器的实验教学很难引入高校,为了更好地展示加速器在核医学实验和临床治疗中的使用过程和效果,本文利用FLUKA软件作为操作平台,模拟了用碳离子束治疗脑部肿瘤的实验过程,并根据模拟结果调节参数,给出优化的治疗方案,使学生更深刻的掌握重离子与物质相互作用过程以及重离子治癌的基本原理.     

重离子径迹结构的Monte Carlo计算模型

阐述了一种称之为分段连续减慢近似的方法，建立了新的计算重离子等效生物组织－液态水径迹结构及能量沉积分布的ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ计算模型，目的在建立细胞损伤强度和损伤范围与重离子参量之间的关系从理论上探索重离子生物效应的机理。     

Ar^＋和He^＋离子与C60碰撞后富勒希离子的激发机制

C60在与重离子作用下的激发机制与入射离子能量、质量及电荷态有关。核阻止主要出现在低能重离子与G60的碰撞中；而高能轻离子作用下，电子阻止迅速增强，成为主要的激发方式。本中直接观察到由弹性碰撞引起的C^ 峰，及其丰度依赖于入射离子的质量。同时我们还发现电子阻止随入射离子能量(7-20keV)增大相应增加，这与绝热量子分子动力学计算的结果一致。     

相对论重离子对撞机（RHIC）开始铜-铜对撞

美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)已经开始进行铜离子束流之间的对撞．RHIC由周长为4km的双环构成，其主要使命是产生重离子之间(特别是有金核参与)的对撞．从能量密度上看，用中等尺寸的铜原子核进行对撞虽然比不上先前进行的金核之间的对撞，但是却远高于金离子和更轻的氘之间的对撞．这对于理解在重离子对撞中观察到的一些新现象非常重要．金一金对撞的能量曾经被为足够高，     

弹丸实验中的粒子约束特性分析

多年来，许多托卡马克装置都在进行着氢弹丸和氘弹丸的注入实验研究，其主要目的在于探索用弹丸注入方法对将来聚变反应堆实验再加料的可行性。因为弹丸加料与气体加料相比具有使大部分加料粒子能沉积在等离子体芯部的明显优点。芯部加料可以产生更峰化的密度剖面和更高的聚变反应率，能改善能量和粒子约束特性。在JT－60，Alcator-C以及ASDEX等装置的弹丸实验中，在等离子体中心区域均获得了高度峰化的密度和压强分布，使等离子体的约束性能获得改善。     

热峰作用下单斜ZrO_2相变过程的分子动力学模拟

ZrO_2陶瓷耐高温、耐腐蚀、抗辐照性能强,是极具前景的反应堆惰性基质燃料和锕系元素固化材料.本文联合使用热峰模型和分子动力学方法,模拟了核辐射环境下ZrO_2的相变过程:基于热峰模型,从快速重离子注入后能量沉积和传导的多物理过程出发,建立热扩散方程,求得ZrO_2晶格温度时空演变特性;然后运用分子动力学方法模拟了该热峰作用下,单斜ZrO_2相变的微观物理过程.研究发现,电子能损为30 keV·nm~(–1)的单一快速重离子注入后, ZrO_2中心产生一个半径为7 nm的柱形径迹,径迹中心晶格迅速熔融, Zr原子配位数由7降至4—6, 2 ps时开始结晶并形成空洞,空洞周围为非晶区,非晶区外Zr原子配位数变为8,同时X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)计算和分析结果确认发生了单斜相向四方相的转变.随着热峰能量向周围传递,相变区逐渐扩大.经热峰计算和分子动力学模拟,辐照诱导ZrO_2由单斜相转为四方相的快速重离子的电子能损阈值为21 keV·nm~(–1).     

重离子生物效应研究中的一些基本物理问题

从原子物理学理论出发，论述了重带电粒子（重离子）与生物介质相互作用的某些物理过程，对重离子生物效应研究中主要涉及的一些基本物理问题进行了讨论，它们是：重离子的能量损失，δ电子的发射，电子输送和径迹晕（或阴影）浓缩相效应和径迹芯。     

Ar+和He+离子与C60碰撞后富勒希离子的激发机制

C60在与重离子作用下的激发机制与入射离子能量、质量及电荷态有关.核阻止主要出现在低能重离子与C60的碰撞中;而高能轻离子作用下,电子阻止迅速增强,成为主要的激发方式.本文中直接观察到由弹性碰撞引起的C+峰,及其丰度依赖于入射离子的质量.同时我们还发现电子阻止随入射离子能量(7～20?keV)增大相应增加,这与绝热量子分子动力学计算的结果一致.     

重离子治疗的物理与生物性能和装置原理

 半个世纪来,放射治疗界一直在寻找一种物理剂量分布良好和生物(物理)效应也好的放射线和粒子。几十年来的临床治疗实践,证实了常用的X射线和电子射线的物理剂量分布和生物(物理)效应都不理想。中子和负π粒子的生物效应虽好,但是物理剂量分布不好,给正常组织带来太大的损害。当前较先进的质子治疗,固有的布拉格峰物理特性能使剂量分布很好,但其生物(物理)效应仅稍高于X射线和电子,对治疗抗阻型和乏氧型的肿瘤细胞还难以奏效。而重离子治疗的物理剂量分布和生物(物理)效应都很理想,因此人们转向研究重离子治疗的可能性。     

C60薄膜的离子注入损伤研究

在200 keV重离子加速器上，用120—360 keV的H,N,Ar和Mo离子注入C₆₀薄膜．对注入后薄膜的拉曼谱进行了分析．结果表明，不同离子注入C₆₀薄膜后，C₆₀的1469 cm^-1特征峰随注入剂量的增加均呈指数式下降，同时在1300—1700 cm^-1范围出现非晶碳峰，并逐渐增强，最终完全非晶化．而且1469 cm^-1拉曼峰的强度及C₆₀薄膜完全非晶化所对应的剂量与注入离子的种类和能量有关．进一步的分析表明，C₆₀分子的损伤主要是由注入离子的核能量转移所造成，与电子能量转移无关．H离子注入C₆₀薄膜后，1469 cm^-1处特征拉曼峰向短波方向非对称展宽，这可能是注入的H离子通过电子能量转移使C₆₀分子发生聚合的结果. 关键词：     

重离子引起的核反应(续完)

相对论能量下的重离子反应在低能核反应中,碰撞系统在相互作用的任何时刻都能看作在平衡之中,可是当弹核的速度大大超过核子在核内的速度时,就应当发生区域现象。其中最有趣的性质是核物质的压缩。在实验室条件下,相对论重离子碰撞是产生密度远高于普通核的核物质的唯一手段。另外,用很高能量密度的重弹核可以遍及到核内很大的区域。因此,相对论重离子碰撞是研究高密度高温下的核物质的唯一工具。     

空间重离子入射磷化铟的位移损伤模拟

磷化铟(InP)具备电子迁移率高、禁带宽度大、耐高温、耐辐射等特性,是制备空间辐射环境下电子器件的重要材料.随着电子器件小型化,单个重离子在器件灵敏体积内产生的位移损伤效应可能会导致其永久失效.因此,本文使用蒙特卡罗软件Geant4模拟空间重离子(碳、氮、氧、铁)在InP材料中的输运过程,计算重离子的非电离能量损失(non-ionizing energy loss, NIEL),得到重离子入射InP材料的位移损伤规律,主要结论有:1) NIEL值与原子序数的平方成正比,重离子原子序数越大,在InP材料中产生位移损伤的能力越强;2)重离子NIEL比次级粒子NIEL大3—4个量级,而NIEL与核弹性碰撞产生的反冲原子的非电离损伤能成正比,说明重离子在材料中撞出的初级反冲原子是导致InP材料中产生位移损伤的主要原因; 3)空间辐射环境中重离子数目占比少,一年中重离子在0.0125 mm3 InP中产生的总非电离损伤能占比为2.52%,但重离子NIEL值是质子和a粒子的2—30倍,仍需考虑单个空间重离子入射InP电子器件产生的位移损伤效应.4)低能重离子在较厚材料中完全沉积导致平均非电离损伤能分布不均匀(前高后低),使NIEL值随材料厚度的增大而略微减小,重离子位移损伤严重区域分布在材料前端.研究结果为InP材料在空间辐射环境中的应用打下基础.     

高脉冲功率能量PLD法制备MgZnO薄膜中的沉积机理

用PLD法成功制备了一系列高质量的MgZnO薄膜。实验中发现高脉冲能量沉积薄膜的结构和发光特性随基片温度的变化规律与低脉冲能量下的结果不一样:基片在室温时高脉冲能量制备薄膜的XRD峰的半峰全宽比高基片温度时的结果相对更小;AFM显示其颗粒变大,柱状生长突出;PL谱紫峰与绿峰强度比最大,结晶质量反而提高。另一方面,与低脉冲能量时相反,增大氧气压强后高脉冲能量沉积的薄膜XRD半峰全宽变窄。结合实验现象和表征,合理解释了高脉冲能量沉积的机理。室温制备高质量MgZnO薄膜的PLD沉积机理对于以后在柔性衬底上沉积薄膜的研究有重要的参考价值。     

离子束修形中光学元件表面热量沉积数值模拟

根据Sigmund溅射能量沉积理论建立了低能离子入射光学元件引起的能量扰动层厚度模型．理论推导了离子束倾斜入射时光学元件表面的束流密度,并建立了低能离子束对光学元件的热量沉积模型．采用MonteCarlo方法模拟了低能离子与熔石英光学表面的相互作用．分析了离子能量、离子类型、入射角度等参数对光学元件热量沉积和扰动层深度的影响规律．以离子束沉积在工件的能量作为热源,采用有限元分析软件ANSYS模拟了离子束入射工件的温度场分布、温度梯度场分布和温度应力分布．入射表面温度和热梯度呈高斯分布,束斑中心最高并向工件边缘逐渐减小．入射表面束斑区域受热膨胀,其膨胀受到外环区域的制约,从中心区域到大约束斑半峰值半径的区域,所受环向应力为压应力,在大致束斑半峰值半径以外区域为拉应力．     

均匀磁场下碳离子束剂量平均LET及纳剂量学量的分布

随着磁共振成像(MRI)技术的发展,图像引导放射治疗在放射肿瘤学中的作用和重要性正在迅速增加,本研究分析了外加均匀磁场对碳离子束的剂量平均LET以及纳剂量学量的影响。通过基于GEANT4内核的GATE蒙特卡罗(Monte Carlo, MC)模拟平台,模拟计算了不同磁场环境下,不同能量碳离子束剂量平均LET和纳剂量学量的分布。结果发现,平行磁场对碳离子束的剂量平均LET和纳剂量学量均无显著影响,垂直磁场对碳离子束的剂量平均LET及纳剂量学量的影响主要集中在布拉格峰区域,其影响主要是碳离子束在磁场中受到洛伦兹力作用而发生横向偏转,进而使得碳离子束布拉格峰位置发生横向侧移导致的。这些结果为进一步研究磁场对碳离子束治疗性能的影响打下了坚实的基础。     

均匀磁场下碳离子笔形束的剂量变化分析及位置修正方法

分析外加均匀磁场对于碳离子笔形束剂量分布的影响,并考虑修正这种影响,为磁共振成像引导碳离子放射治疗的临床应用提供指导。本文利用蒙特卡罗方法模拟计算了不同能量碳离子笔形束在不同强度磁场下的剂量分布情况,发现垂直于碳离子束入射方向的均匀磁场对于碳离子笔形束射程缩短的影响很小,磁场对碳离子束的主要影响是引起束流横向偏转,特别是碳离子束布拉格峰位置的横向侧移。横向侧移程度与碳离子束的能量和磁场强度相关,根据模拟结果,得到了一个计算碳离子束布拉格峰在磁场中相对横向偏转的方程,并提出一种校正外加磁场引起的碳离子束布拉格峰横移的角度修正方法。这些结果可用于指导磁共振图像引导碳离子放射治疗计划系统的研发。     

重离子的剂量特性及其在医学中的应用

从1935年美国Berkeley 回旋加速器上产生的中子对哺乳动物辐照的研究表明,由重离子产生的相当浓密的电离对正常的和恶性增生的(neoplastic)组织造成的生物效应要比X 或γ射线造成的生物效应大。因此对采用重离子来治疗疾病开始发生了很大的兴趣,并导致了中子治癌的试验。第二次世界大战后,有了较大的回旋加速器产生的较高能量的重离子,辐射治疗研究就进一步发展了。第一次用重离子做辐射生物研究是1952年由美国Berkeley 实验室开始的,1954年后在治疗恶性增生的、代谢性.......     

γ射线在LSO晶体中的能量沉积

采用蒙特卡罗程序MCNP计算了γ射线在LSO晶体中的能量沉积分布并与相应的实验结果进行了对比,验证了该方法的正确性。在此基础上计算了不同能量的γ射线在LSO晶体中的能量沉积分布,分析了γ射线与物质的不同作用对晶体中能量沉积分布的影响,总结出在晶体轴向和径向的能量沉积分布规律。轴向上,不同能量γ射线在LSO晶体中的能量沉积近似为指数分布,在表面能量沉积密度较小;在径向方向,γ射线在入射轴线上能量沉积密度很高,在距入射轴较近的区域,主要是次级电子产生沉积能量,随着距离的增大,γ射线能量沉积逐渐减小;在距入射轴较远的区域,能量沉积主要是散射γ射线产生。     

高能质子单粒子翻转效应的模拟计算

在分析质子与硅反应的基础上,提出质子单粒子翻转截面理论计算模型,建立了模拟计算方法.计算得到了不同能量的高能质子在存储单元的灵敏区内沉积的能量.指出高能质子主要通过与硅反应产生的重离子在存储单元灵敏区内沉积能量,产生电荷,导致单粒子效应,得到了单粒子翻转截面与质子能量以及随临界电荷变化的关系.并将计算得到的单粒子翻转截面与实验数据进行了比较.