基于蒙特卡罗模拟研究锆钛酸铅镧材料的中子辐照损伤

锆钛酸铅镧(Pb_0.94La_0.06Zr_0.96Ti_0.04O₃,PLZT)具有良好的介电和储能性质,是高效、高能量密度电容元件和存储器件的基体材料.为研究该材料的中子辐照损伤,首先基于Geant4程序包模拟了能量为1—14 MeV中子辐照浩钛酸铅镧(PLZT)材料产生的反冲原子能谱,然后根据产生的反冲原子种类和最大能量,利用二元碰撞方法模拟了不同能量的离子在PLZT中产生的位移损伤(包括空位和间隙原子),最后根据反冲原子能谱和对应能量离子在材料中产生的缺陷数目计算了不同能量的中子在PLZT材料中产生缺陷浓度以及分布.结果发现,对于1—14 MeV能区的快中子而言,其在厚度为3 cm的PLZT材料中产生的缺陷数目近似与中子能量无关,约为460±120空位/中子.辐照损伤在3cm厚度内随深度的增加而略有减小,总体变化小于50%,该减小主要是由于中子的反散射导致.本工作为计算中子在材料中的位移损伤提供了一种方法,同时模拟结果可为研究PLZT基电子器件的中子辐照效应提供指导.     

质子在碳化硅中不同深度的非电离能量损失

利用蒙特卡罗方法,应用Geant4程序,模拟计算了1—500 MeV质子在碳化硅材料中的非电离能量损失,并研究了不同种类的初级反冲原子对非电离能量损失的贡献.模拟结果表明:在相同质子辐照下,碳化硅材料中的非电离能量损失要比硅、镓等半导体材料更小,说明碳化硅器件的稳定性更好,抗位移损伤能力更强;当靶材料足够厚时,在不同能量质子辐照下,材料损伤最严重的区域会随着质子入射能量的增加从质子射程末端逐渐前移到材料表面;不同种类的初级反冲原子对非电离能量损失的贡献表明,在低能质子辐照下,28Si和~(12)C是位移损伤的主要原因,而随着质子能量的增加,通过核反应等过程产生的次级离子迅速增多,并对材料浅层造成严重的位移损伤.     

基于核数据的中子诱发原子离位损伤截面评估方法

中子辐照损伤是核能系统面临的重要挑战之一。中子辐照损伤是由中子核反应诱发的，通常通过离位损伤(用平均每原子离位数DPA计)量化。离位损伤的过程为中子核反应产生的反冲核，在辐照损伤中称为初级碰撞原子(Primary Knock-on Atom,PKA)，引发材料中原子级联碰撞产生，因此其评估需要基于中子核反应理论或相关核数据。由于现有评价核数据库中未包含全部反冲能谱分布，中子辐照导致的离位损伤截面需要基于已有微分截面与守恒方程计算。本工作回顾了中子辐照诱发离位损伤的两种计算思路、系统地归纳了不同核反应类型(包括离散与连续的两体反应、中子俘获反应以及多体反应)导致的离位损伤截面计算理论方法、并指出了现有方法的不足。最后，以事故容错包壳材料FeCrAl为例，基于ENDF/B-Ⅷ.0数据库计算了多组不同Cr与Al含量的离位损伤截面。初步研究结果表明FeCrAl的中子辐照离位损伤评估对其中Cr与Al含量的敏感性较低且高出Fe单质的DPA截面约3%～4%，因此DPA评估中可暂不考虑不同Cr与Al含量的影响。但Cr与Al的含量可能会影响离位阈能与损伤能量。     

低能中子在锆中产生的辐照损伤的计算机模拟研究

以GEANT4为基础采用蒙特卡罗方法对能量为1 MeV的中子在锆 材料中的输运过程进行了模拟分析. 首先计算得出: 反冲核的能量主要分布在1 keV和15 keV之间, 中子和靶核发生两次弹性碰撞的平均空间距离为29.47 mm. 由于中子和靶核在发生连续两次弹性碰撞过程中产生的两个反冲核能量较低, 它们的空间距离又比较大, 由此可以推测出: 由初级离位原子产生的后续级联碰撞可以看做是一系列独立的子级联碰撞过程, 同时也计算了中子在靶材的不同深度区域内产生的反冲核数目和平均能量. 其次, 利用蒙卡方法计算得到的结果, 采用分子动力学方法, 分别计算了五种不同能量下的初级离位原子产生的级联碰撞情况, 给出了初级离位原子的能量与其产生的次级离位原子数目之间的关系以 及不同能量下的初级离位原子产生的损伤区域范围等情况, 通过蒙特卡罗方法和分子动力学方法的结合, 给出了能量为1 MeV的中子在锆材料中产生的初级辐照损伤分布图像. 关键词： 辐照损伤 级联碰撞 蒙特卡洛模拟 分子动力学     

中子辐照诱导钨再结晶的模拟研究

钨作为未来聚变堆偏滤器靶板的候选材料,需要长期服役在高温且受到高能中子辐照的严峻环境,这将导致钨发生中子辐照诱导再结晶,从而提高钨发生沿晶脆断的可能性,威胁偏滤器的运行安全,因此研究中子辐照诱导钨再结晶的物理机制具有重要意义.然而,与最近高通量同位素反应(HFIR)堆高温下中子辐照实验观察到的结果相比,目前考虑辐照增强再结晶驱动力效应的模型低估了中子辐照对再结晶的影响,结果表明仍有其他效应影响再结晶过程.基于此,本文在假设晶界迁移率与自体扩散系数成正比的前提下,引入辐照增强晶界迁移因子(R),建立了新的辐照诱导再结晶动力学模型.模拟结果显示,在综合考虑辐照增强再结晶驱动力和晶界迁移效应后,模型计算出的850℃下达到一半再结晶分数所需要的时间(t_X=0.5)和HFIR堆中子辐照实验结果相符,这表明辐照增强晶界迁移效应是影响辐照诱导再结晶现象的重要因素之一.另外,模型研究了不同辐照温度下钨的t_X=0.5.结果表明辐照与未辐照的t_X=0.5差别随温度升高而逐渐下降.这是因为随着温度的升高,辐照缺陷复合加剧,辐照缺陷对再结晶驱动...     

InP中子位移损伤效应的Geant4模拟

磷化铟(In P)作为第二代化合物半导体材料,抗辐照能力强,光电转换效率高,在光子领域和射频领域具有优势.大气空间中, In P半导体器件受大气中子辐照影响,器件性能发生退化.本文采用蒙特卡罗模拟软件Geant4对In P中子辐照效应进行模拟,得到In P中不同能量中子产生的位移损伤初态分布.结果表明:在微米量级内,非电离能量损失(NIEL)随深度均匀分布,在厘米及更高量级上, NIEL随着入射深度的增大而降低,当靶材料足够厚时可以降低至零;分析1—20 Me V中子入射3μm In P产生的NIEL及其随深度分布,发现NIEL随入射中子能量的增加呈现出先升后降的趋势,该趋势主要由非弹性散射反应产生的初级反冲原子(PKA)造成;分析1—20 Me V中子入射3μm In P产生的PKA种类、能量,发现In/P的PKA占比较大,是产生位移损伤的主要因素,中子能量越高, PKA的种类越丰富, PKA最大动能越大,但PKA主要分布在低能部分.研究结果对In P基5G器件在大气中子辐射环境中的长期应用具有理论和指导价值.     

D-T中子与平板型聚乙烯材料作用的次级中子角度谱实验研究

基于反冲质子法建立了一种测量D-T中子与平板型宏观样品作用的次级中子角度谱的实验方法.为保证探测器的能量线性并在较低的中子有效测量下阈(0.5 MeV)情况下获得好的中子-伽马射线甄别性能,采用高、低能段分别测量的方法.采用事件记录法,同时记录了次级中子和伴随伽马射线的脉冲形状甄别和脉冲幅度二维信息,利用基于ROOT数据分析平台编写的离线数据分析程序,完成了伴随伽马射线的挑选和扣除,以及高、低两能段反冲质子谱的拼接,并成功的将神经网络技术应用于中子能谱的解谱,获得了D-T中子与9和18 cm厚平板型聚乙烯材料作用的0.5-15 MeV的次级中子角度谱实验结果.实验模型的MC模拟由MCNP5完成,数据库采用ENDF-VI,实验结果和MC计算结果在实验不确定度范围内一致. 关键词： D-T中子 积分中子学 反冲质子法 次级中子能谱     

聚变中子能谱测量系统脉冲中子灵敏度的实验研究

为多种复杂环境下的稳态和脉冲DT聚变中子能谱测量建立了一种灵敏度优化反冲质子磁谱仪. 使用成像板和同位素α源测量了谱仪的反冲质子能量-位置投影关系. 利用稳态加速器中子源平台、通过单粒子计数方法结合三维带电粒子输运程序模拟,研究了谱仪脉冲中子灵敏度能量响应. 通过高探测效率参数设置使谱仪对DT中子的探测效率达到2×10^-5 cm²水平,从而在较弱中子源上获得了较高统计精度实验数据. 程序模拟结果与谱仪α粒子刻度和DT中子标定实验结果取得了良好的一致性,可由此发展精细解谱技术,以提高脉冲中子能谱测量的灵敏度和能量分辨. 关键词： 聚变中子能谱 磁反冲质子 脉冲中子灵敏度 粒子输运     

中子预辐照损伤对钨中氢滞留行为影响机制的多尺度模拟

高温等离子体作用下的中子辐照损伤和氢氦滞留行为一直是聚变堆钨基材料面临的两个关键问题,尤其是预辐照损伤对氢氦滞留的协同作用。鉴于制约因素的复杂性和实验上的困难,相关基础问题的理论研究至关重要。我们基于发展的顺序多尺度模拟方法研究了多晶钨的中子预辐照损伤及其对低能（20 eV）氢注入下缺陷动力学演化和氢滞留分布的影响。通过定量对比有无中子预辐照的多晶钨中氢的滞留行为,我们发现中子预辐照损伤产生的稳定空位团簇作为新的氢捕获点,加剧了氢在近表面处的滞留和表面损伤,限制了其向深度的扩散,从而导致了低能氢滞留量的急剧增加。相关结果将直接为实际等离子体环境下聚变堆钨基材料的辐照损伤和氢氦效应提供理论指导与预测。     

铍组件堆内长期服役后的尺寸测量

铍是核反应堆内的重要反射层材料,其辐照后的尺寸变化对反应堆的安全性具有重要的影响。为获得铍组件堆内长期服役后的尺寸变化,以对其堆内的服役性能评价提供基础数据,设计并加工了一套高放样品远程转运平台,使用三坐标测量机完成了绵阳SPRR-300堆内铍组件的尺寸变化测量实验。实验测量结果表明,SPRR-300堆的铍组件在服役29 a后,在最高中子通量高达6.78×1021 cm?2的辐照环境下,铍组件外形尺寸总体上保持良好,截面有微量的收缩变形,最大形变约0.13 mm,这表明在长期中子辐照环境下,辐照蠕变是导致铍组件尺寸变化的主要原因。     

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.     

基于北京大学4.5 MV静电加速器的核技术应用

北京大学4.5 MV静电加速器是20世纪80年代我国自主研发的静电加速器。该器端电压在0.7~3.8 MV连续可调,主要加速氢/氦同位素离子,并可通过打靶产生准单能直流/脉冲中子场,具有多条束线及多个实验终端。该器作为开放仪器多年来为国内外从事核技术研究的团队提供了实验平台。近年来,针对我国在能源、航天和国防等领域材料研究的重要需求,该器进行了多次升级改造。一方面通过产生7 MeV以下和14~19 MeV的准单能中子场,应用于(n, a)核反应截面的测量和聚变堆中子谱仪刻度;另一方面,通过温控辐照、核反应分析等实验终端,实现了材料辐照损伤及聚变堆材料元素定量分析等研究方向的功能拓展。此外,设计新增用于半导体材料电学性能测试的原位在线辐照终端和用于研究材料微观尺度元素分布的离子束综合分析实验终端。目前部分新终端已设计组装完成,相关搭建和调试工作正在进行中。     

用于中子能谱测量的反冲质子磁谱仪

根据神光-Ⅲ原型内爆实验条件下初级中子能谱诊断的要求,提出了反冲质子磁谱仪原型的设计方案,并通过蒙特卡罗程序Geant4对设计方案进行了仿真模拟。该质谱仪的测量能区在6~30 MeV,测量产额范围大于1012,能够测量内爆实验的全中子能谱。模拟结果表明:设计的谱仪对于14 MeV的中子探测效率大于10-11,能量分辨达到1%,信噪比大于10,满足神光-Ⅲ原型装置内爆实验离子温度诊断的要求。     

质子入射AlxGa1–xN材料的位移损伤模拟

氮化镓材料由于优良的电学特性以及耐辐照性能,其与不同含量Al_xGa_1–xN材料组成的电子器件,有望应用于未来空间电子系统中.然而目前关于氮化镓位移损伤机理研究多关注于氮化镓材料,对于Al_xGa_1–xN材料位移损伤研究较少.本文通过两体碰撞近似理论模拟了10 keV—300 MeV质子在不同Al元素含量的Al_xGa_1–xN材料中的位移损伤机理.结果表明质子在Al_xGa_1–xN材料中产生的非电离能损随质子能量增大而下降,当质子能量低于40 MeV时,非电离能损随着Al含量的增大而变大,当质子能量升高时该趋势相反;分析由质子导致的初级撞出原子以及非电离能量沉积,发现不同Al_xGa_1–xN材料初级撞出原子能谱虽然相似,然而Al元素含量越高,由弹性碰撞产生的自身初级撞出原子比例越高;对于质子在不同深度造成的非电离能量沉积,弹性碰撞导致的能量沉积在径迹末端最大,而非弹性碰撞导致的能...     

回旋加速器

1.引论今年“七、一”人民日报宣布我国第一个回旋加速器在苏联无私的帮助下已经建成了,它给我国原子能研究事业提供了一个有力的工具。在党的社会主义建设总路线的光辉照耀下,我国原子能研究事业将一定能多、快、好、省地大力向前跃进。回旋加速器能加速自氢至氖的一切元素的原子核,研究带电粒子与物质冲击的核反应,提供单色快中子源,硬γ射线源,利用强离子束获得部分极化中子流,利用飞行时间法研究中子能谱,利用闪烁离子束研究慢中子与各种物质的作用,还能制造强放射性的各种同位素。     

吉帕压力下原位中子衍射技术及其在铁中的应用

中子对轻元素敏感,能够识别近邻原子,区分同位素,可以直接测定材料的磁结构,并具有很强的穿透力。这些优点使中子衍射成为研究物质的一种独特手段,在含能材料、含水矿物、超导以及磁材料等都发挥着重要的作用。利用自主研制的全景式大腔体对顶砧高压装置,实现了吉帕压力下原位中子衍射谱的获取。实验中采用WC压砧,当负载压力达到150kN时,在体积为6mm3的样品腔内获得了铁在5GPa压力下的中子衍射谱。通过优化组装或使用金刚石压砧,可以获得10GPa甚至更高压力下的高压原位中子衍射谱。     

巧克河的重离子物理现状

巧克河核子实验室(Chalk River Nuc-lear Laboratories)是加拿大的一所重点国家实验室,组织机构上属于加拿大原子能公司管辖。是一个综合性实验室,有职工约三千余人,研究工作基本上分为两部分,一是反应堆研究,以及围绕堆工研究的其它有关研究,如堆材料研究,堆的模拟控制研究,废物处理,辐射应用及同位素生产等;另一部份是基础物理及保健物理,包括加速器研究,中子与固体物理,理论物理,一般核物理及重离子核物理以及工业卫生保健等。     

椭球坐标下求解强磁场中的氢原子

在椭球坐标系下,采用B样条基组方法计算了磁场范围在0-1000 a.u.下氢原子低能态能量以及实验室磁场下(几个特斯拉)氢原子里德堡态的能级,并与文献中的精确结果进行了比较.对1s0态,磁场γ≤100 a.u.时,本文计算结果有12位有效数字的精度,γ=1000 a.u.时有11位有效数字的精度.对2p-1低激发态,γ≤100 a.u.时,能量至少有11位有效数字的精度;γ=1000 a.u.时,有9位有效数字的精度.对原子高激发态,我们计算了实验室磁场下(磁场为4.7特斯拉)氢原子里德堡态(主量子数n=23)的抗磁谱,得到了至少10位有效数字精度的能谱.本文方法既适用于超强磁场下低能态的计算,同样适合原子高里德堡态抗磁谱的计算,为精确计算强磁场下原子能谱提供了一个新的可行方案.此外,讨论了本文方法推广到平行及交叉电磁场下原子能谱计算的可行性.     

中国散裂中子源在大气中子单粒子效应研究中的应用评估

由于缺少可用的散裂中子源,多年来我国在大气中子单粒子效应方面主要依靠模拟仿真和单能中子试验的方式开展研究.随着中国散裂中子源(CSNS)通过国家验收,基于CSNS开展大气中子单粒子效应研究成为可能.本文利用CSNS反角白光中子源开展多款静态随机存取存储器器件的中子单粒子效应试验,并与早期开展的高原大气试验结果进行对比,对CSNS在大气中子单粒子效应研究中的应用进行评估.结果表明,相同器件在CSNS反角白光中子源测得的单粒子翻转截面小于大气试验的结果,且不同器件的翻转截面与特征尺寸没有明显的单调关系.分析得到前者由于CSNS反角白光中子谱偏软;后者由于特征尺寸降低导致的临界电荷变小和灵敏体积变小对截面的贡献是竞争关系.针对截面偏小的问题,根据能谱差异分析了中子能量阈值对器件翻转截面的影响,发现能量阈值取12MeV进行计算时,器件在CSNS反角白光中子源和高原大气中子环境中能够得到较一致的截面.研究结果表明CSNS反角白光中子源能够用于加速大气中子单粒子效应试验.考虑到CSNS的运行功率正在逐步提高,且多条规划中的白光中子束线与大气中子能谱更为接近,预期未来CSNS将能更好地应用于大气中子单粒子效应研究.     

Fe-Cr合金辐照空洞微结构演化的相场法模拟

Fe-Cr合金作为包壳材料在高温高辐照强度等极端环境下服役,产生空位和间隙原子等辐照缺陷,辐照缺陷簇聚诱发空洞、位错环等缺陷团簇,引起辐照肿胀、晶格畸变,导致辐照硬化或软化致使材料失效.理解辐照缺陷簇聚和长大过程的组织演化,能更有效调控组织获得稳定服役性能.本文采用相场法研究Fe-Cr合金中空洞的演化,模型考虑了温度效应对点缺陷的影响以及空位和间隙的产生和复合.选择400—800 K温度区间、0—16 dpa辐照剂量范围的Fe-Cr体系为对象,研究在不同服役温度和辐照剂量下的空位扩散、复合和簇聚形成空洞的过程.在400—800 K温度区间,随着温度的升高,Fe-Cr合金空洞团簇形核率呈现出先升高后下降的趋势.考虑空位与间隙的重新组合受温度的影响可以很好地解释空洞率随温度变化时出现先升高后降低的现象.由于温度的变化将影响Fe-Cr合金中原子离位阀能,从而影响产生空位和间隙原子.同一温度下,空洞半径和空洞的体积分数随辐照剂量的增大而增大.辐照剂量的增大,级联碰撞反应加强,空位与间隙原子大量产生,高温下空位迅速的扩散聚集在Fe-Cr合金中将形成更多数量以及更大尺寸的空洞.