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.     

300 eV—1GeV质子在硅中非电离能损的计算

非电离能损(NIEL)引起的位移损伤是导致空间辐射环境中新型光电器件失效的主要因素.引起质子在硅中NIEL的作用机理有库仑相互作用和核相互作用,质子能量范围从位移损伤阈能到1 GeV.当质子能量位于低能区时,库仑相互作用占主导地位,采用解析方法和TRIM程序计算NIEL;当质子能量位于高能区时,NIEL主要来自质子与靶原子核的弹性和非弹性相互作用,使用MCNPX/HTAPE3X进行模拟仿真计算由核反应引起的NIEL.实现了能量范围为300 eV—1 GeV的质子入射硅时NIEL的计算.计算结果表明,MCNPX/HTAPE3X可用于计算高能质子在材料中产生的反冲核所引起的NIEL,结合解析方法和TRIM程序可计算得到由于库仑相互作用引起的NIEL.     

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.     

低能质子在半导体材料Si 和GaAs中的非电离能损研究

非电离能损(NIEL)引起的位移损伤是导致空间辐射环境中新型光电器件失效的主要因素.由于低能时库仑相互作用占主导地位,一般采用Mott-Rutherford微分散射截面,但它没考虑核外电子库仑屏蔽的影响.为此,本文采用解析法和基于Monte-Carlo方法的SRIM程序计算了考虑库仑屏蔽效应后低能质子在半导体材料Si,GaAs中的NIEL,SRIM程序在计算过程中采用薄靶近似法, 并与其他作者的计算数据和实验数据进行了比较.结果表明：用SRIM程序计算NIEL时采用薄靶近似法处理是比较合理的,同时考虑库仑 关键词： 低能质子 非电离能损 硅 砷化镓     

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.     

中能质子在Si和GaAs中导致的非电离能损研究

非电离能损(NIEL)引起的位移损伤效应是空间装置失效的原因之一. 运用改进的Monte Carlo程序SHIELD, 建立了质子的NIEL计算手段, 模拟计算了能量范围在10—400MeV的中能质子在硅和砷化镓中的NIEL的大小和分布.     

低能质子在半导体材料Si 和GaAs中的非电离能损研究

非电离能损(NIEL)引起的位移损伤是导致空间辐射环境中新型光电器件失效的主要因素.由于低能时库仑相互作用占主导地位，一般采用Mott-Rutherford微分散射截面，但它没考虑核外电子库仑屏蔽的影响.为此，本文采用解析法和基于Monte-Carlo方法的SRIM程序计算了考虑库仑屏蔽效应后低能质子在半导体材料Si,GaAs中的NIEL，SRIM程序在计算过程中采用薄靶近似法, 并与其他作者的计算数据和实验数据进行了比较.结果表明：用SRIM程序计算NIEL时采用薄靶近似法处理是比较合理的，同时考虑库仑     

质子和1MeV中子在硅中能量沉积的模拟计算

在现有中子截面数据和粒子与物质相互作用的理论基础上,编写了计算中子非电离能量损失(NIEL)和电离能量损失(IEL)程序,利用该程序和引进的TRIM95程序计算了1MeV中子和质子在硅中IEL和NIEL的大小和分布等,并对计算结果进行了分析和比较.     

质子和α粒子在铝材料中传输的Monte Carlo模拟

为了检验应用在极紫外(EUV)波段空间太阳望远镜上Al滤光片在空间辐射环境下透过率的变化情况,我们模拟部分空间太阳望远镜运行轨道的辐射环境,应用Monte Carlo(M-C)方法对Al材料进行低能量的质子和α粒子辐照损伤模拟,计算给出了质子和α粒子辐照对Al材料产生的缺陷、电离以及声子等辐照效应,最后对结果进行了比较和分析,从而预测质子和α粒子辐照对Al滤光片性能和使用寿命的影响.     

位移损伤剂量法评估空间GaAs/Ge太阳电池辐照损伤过程

本文针对GaAs/Ge太阳电池,利用位移损伤剂量法研究了其在轨服役条件下的性能退化行为.首先在地面模拟辐照环境中,试验获得了在不同能量的电子和质子辐照下的电池性能随辐照注量的退化行为.基于上述实验结果以及计算获得的带电粒子在电池中的非电离能量损失(NIEL)获得了不同能量电子辐照位移损伤的等效指数n为1.7,电子损伤剂量转化为质子损伤剂量等效系数为5.2,并进一步建立了电池性能随位移损伤剂量的退化方程.利用该方法对国产GaAs/Ge太阳电池在500,22000和36000 km轨道带电粒子辐 关键词： GaAs/Ge太阳电池 辐照损伤 带电粒子 位移损伤剂量     

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...     

质子辐照硼硅酸盐玻璃盖片的物理效应分析

作为航天器电源系统的重要组成部分,太阳电池需要更高的转换效率和可靠性以及更长的使用寿命。通过在太阳电池表面覆盖抗辐照玻璃盖片,可以增强太阳电池对粒子辐射的防护,延长太阳电池的服役寿命,使航天器获得可靠的能源供应。硼硅酸盐玻璃就是一种理想的太阳电池玻璃盖片材料。采用蒙特卡罗方法,结合SRIM软件模拟研究质子辐照硼硅酸盐玻璃的损伤物理机理。基于粒子与物质相互作用的理论以及基本公式,通过分析不同入射能量的质子在硼硅酸盐玻璃中的阻止本领、电离能损、位移能损、空位的产生情况,对辐照损伤的物理机制进行研究。结果表明:能量为30~120 keV的质子辐照损伤主要发生在硼硅酸盐玻璃表面;质子沉积、空位分布等均为Bragg峰型分布;电离能损是能量损失的主要部分,随入射能量的增加而增大,导致电子的电离和激发;位移能损在玻璃内部随能量降低而增大,导致硼、氧和硅等空位缺陷的产生;电离效应和缺陷的产生是硼硅酸盐玻璃色心形成的重要原因。     

质子、α粒子在水中的径迹结构

简述了一个模拟质子、α粒子的蒙特卡罗径迹结构模型，考虑了质子、α粒子在水中输运时的电离、激发等非弹性散射机制，模拟计算了质子、α粒子在水蒸气(密度为1g／cm^3)中的径迹，质子、α粒子的能量范围为0．3—5MeV／u．考虑了产生的大量低能电子(能量下限为1eV)在水介质中的输运．计算得到的射程、径向剂量等参数，与实验数据符合得较好．     

CCD质子辐照损伤效应的三维蒙特卡罗模拟

针对空间质子诱发CCD性能退化问题,开展了CCD质子辐照效应的三维蒙特卡罗模拟研究。采用三维蒙特卡罗软件Geant4模拟计算了不同能量质子在Si和SiO₂中的射程及Bragg峰,分析了不同能量质子在材料中能量沉积的过程,并将模拟结果与相关数据进行对比,模拟误差在5%以内。根据质子与材料相互作用的物理过程,选取了合适的Lindhard分离函数,添加合适的物理过程,模拟计算了不同能量质子在SiO₂中的电离能量损失和Si中的非电离能量损失,并将结果与国外相关数据进行对比。根据CCD的生产工艺参数,建立了单个像元的三维模拟模型,确定了质子辐照损伤的灵敏体积,模拟计算了不同能量质子在像元灵敏体积内的电离能量沉积与非电离能量沉积,分析了CCD不同能量质子的辐照损伤差异产生的机理。结合粒子输运计算结果与CCD质子辐照实验结果,分析了质子辐照诱发CCD辐射敏感参数退化的物理机制。     

~(60)Co和高能电子在硅中NIEL的Monte Carlo计算

本文提出了计算高能电子和 非电离能量损失 (NIEL)的 Monte Carlo方法 ,首次利用 Monte Carlo方法计算了高能电子和 6 0 Co 的 NIEL.给出了电子和 6 0 Co 在半导体硅材料中产生的 NIEL和缺陷分布 .计算结果与文献的比较表明模型是合理的 .     

纳米静态随机存储器低能质子单粒子翻转敏感性研究

针对65, 90, 250 nm三种不同特征尺寸的静态随机存储器基于国内和国外质子加速器试验平台, 获取了从低能到高能完整的质子单粒子翻转截面曲线. 试验结果表明, 对于纳米器件1 MeV以下低能质子所引起的单粒子翻转截面比高能质子单粒子翻转饱和截面最高可达3个数量级. 采用基于试验数据和器件信息相结合的方法, 构建了较为精确的复合灵敏体积几何结构模型, 在此基础上采用蒙特卡罗方法揭示了低能质子穿过多层金属布线层, 由于能量岐离使展宽能谱处于布拉格峰值的附近, 通过直接电离方式将能量集中沉积在灵敏体积内, 是导致单粒子翻转截面峰值的根本原因. 并针对某一轨道环境预估了低能质子对空间质子单粒子翻转率的贡献.     

聚变α粒子对第一壁辐照损伤的蒙特-卡罗研究(Ⅲ)—— 固体中位移原子深度分布

本文用基于两体碰撞的蒙特-卡罗方法研究α粒子轰击固体靶的位移原子深度分布,并分析了位移原子深度分布与固体中能量沉积的关系。文中给出入射α粒子能量、入射角及靶材料的改变对位移原子深度分布的影响。结果表明,位移原子数与轰击离子在靶中的弹性能量损失密切相关。聚变α粒子在SiC中产生的位移损伤远小于它在不锈钢材料中的位移损伤。     

低能停止粒子探测器

低能带电重粒子在接近射程末端处,电离比值上升.因此,带电粒子在薄层探测器中产生的电离,当接近粒子射程末端时比粒子穿过时为大.利用这个现象,就可以做成探测接近射程末端的停止粒子探测器.工作[1,2]曾经用固体闪烁体研究过负π介子星裂探测器以及记录中能π介子和μ子的停止粒子探测器.后来,已将固体闪烁体用于高穿透粒子本底中测量停止粒子,成功地测量过π~+停止后的稀有衰变方式.但未见到用气体介质对低能粒子作停止粒子探测器的报导.这里,我们对记录低能α粒子的停止粒子探测器进行了初步实验.结果表明,可以用薄窗正比计数管做成简单的低能停止粒子探测器.     

聚变α粒子对第一壁辐照损伤的蒙特-卡罗研究(Ⅲ)——固体中位移原子深度分布

本文用基于两体碰撞的蒙特-卡罗方法研究α粒子轰击固体靶的位移原子深度分布,并分析了位移原子深度分布与固体中能量沉积的关系。文中给出入射α粒子能量、入射角及靶材料的改变对位移原子深度分布的影响。结果表明,位移原子数与轰击离子在靶中的弹性能量损失密切相关。聚变α粒子在SiC中产生的位移损伤远小于它在不锈钢材料中的位移损伤。 关键词：     

质子辐照作用下浮栅单元的数据翻转及错误退火

本文利用60 MeV质子束流,开展了NAND (not and) flash存储器的质子辐照实验,获取了浮栅单元的单粒子翻转截面,分析了浮栅单元错误的退火规律,研究了质子辐照对浮栅单元的数据保存能力的影响.实验结果表明,浮栅单元单粒子翻转截面随质子能量的升高而增大,随质子注量的升高而减小.浮栅单元错误随着退火时间的推移持续增多,该效应在低能量质子入射时更为明显.经质子辐照后,浮栅单元的数据保存能力有明显的退化.分析认为高能质子通过与靶原子的核反应,间接电离导致浮栅单元发生单粒子翻转,翻转截面与质子注量的相关性是因为浮栅单元单粒子敏感性的差异.质子引起的非电离损伤会在隧穿氧化层形成部分永久性的缺陷损伤,产生可以泄漏浮栅电子的多辅助陷阱导电通道,导致浮栅单元错误增多及数据保存能力退化.