空间辐射环境及人体剂量蒙特卡罗模拟

针对空间辐射环境进行了理论分析,并使用蒙特卡罗方法,对银河宇宙射线及典型太阳质子事件进行了模拟。通过分析常规屏蔽对空间辐射场及人体剂量的影响、屏蔽下的次级粒子产额等,验证了蒙特卡罗工具包Geant4应用于空间辐射防护研究的准确性。模拟发现:在常规屏蔽厚度的情况下,对于太阳质子事件,由于其能量主要分布在低能量段(100 MeV以下),屏蔽效果随屏蔽厚度的增加明显增大,1 g/cm2 Al等效厚度屏蔽皮肤剂量可降低至其初始剂量值的8%左右,10 g/cm2 Al等效厚度的屏蔽可降低至初始剂量值的048%左右;而对于银河宇宙射线,由于其平均能量较高,屏蔽层的屏蔽作用并不明显,在浅层组织剂量甚至有所增加。     

质子束治疗中非均匀组织的等效水厚度修正研究

非均匀组织等效水厚度修正是研究质子放射治疗的重要组成部分, 利用蒙特卡罗Fluka2011.2程序模拟了不同能量(50–250 MeV)的质子束入射到不同介质中的输运过程, 总结出了在不同介质中质子束初始能量与质子束Bragg峰深度关系, 并拟合出质子束在介质中的等效水厚度修正公式. 结果表明, 对不同能量的质子束入射到非均匀组织中, 通过拟合公式计算出Bragg峰深度值与Fluka模拟的质子束Bragg峰的位置相差在1 mm 之内. 如果建立起介质和水的Bragg峰比与电子密度比关系的数据库, 该公式有可能用于临床上的质子放射治疗的剂量计算中. 关键词： 蒙特卡罗 质子治疗 等效水厚度 Bragg 峰     

铝基碳化硼材料中子屏蔽性能的蒙特卡罗模拟

采用蒙特卡罗方法, 运用MCNP4C程序研究了碳化硼含量20%–40%、中子能量200 eV–15 keV、材料厚度0.3–2 cm对B₄C/Al复合材料中子屏蔽性能的影响. 结果表明: 碳化硼含量与中子透射系数呈一次线性下降关系; 同含量的碳化硼, B₄C/Al材料的中子屏蔽效果要大大优于聚乙烯碳化硼材料; 在等厚度条件下, 模拟试样B20等的中子屏蔽效果要优于水、铜、混凝土等常规屏蔽材料; 材料厚度与中子透射系数呈指数下降关系, 且单位厚度的增加对中子透射系数改变很大; 含硼量对热中子透射系数影响很大; 在热中子能区, 中子每单位能量的变化对中子透射系数改变较大; 在慢中子能区, 中子每单位能量的变化对中子透射系数改变很小. 关键词： 中子透射系数 蒙特卡罗 铝基复合材料 碳化硼     

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...     

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。     

质子辐照下正照式和背照式图像传感器的单粒子瞬态效应

CMOS图像传感器应用于空间任务时容易受到质子单粒子效应影响.本文采用商用正照式(FSI)和背照式(BSI)CMOS图像传感器开展了不同能量的质子辐照实验,实验中通过在线测试方法分析质子单粒子效应.其中,质子能量最高为200 Me V,总注量为10¹⁰ particle/cm~2,结果未发现外围电路的单粒子效应,但观察到像素阵列出现不同形状的单粒子瞬态亮斑.通过提取瞬态亮斑沉积能量和尺寸大小两个特征参数,比较了不同能量质子对瞬态亮斑特征的影响,以及FSI和BSI中瞬态亮斑特征的差异.最后,结合仿真方法,与实验结果进行比较,预测了质子在CMOS图像传感器像素单元产生瞬态亮斑的能量沉积分布.仿真结果验证了光电二极管耗尽区厚度减小和外延层减薄是导致BSI图像传感器中质子能量沉积分布左移的主要因素.     

强流质子束辐照形成的冲击波

 对强流质子束在铝材料中引起的冲击波进行了数值模拟，其中强流质子束在铝中的能量沉积行为采用蒙特卡罗方法模拟，而能量的非均匀沉积后引起的力学效应采用一维流体弹塑性模型进行计算。计算给出了强流质子束在铝材料中的能量沉积曲线和引起的冲击波的时间演化规律。     

采用超薄双层靶提高质子束的单能性

利用1维粒子模拟程序,研究了超短超强激光脉冲与超薄双层靶(基底层和加速层厚度均为nm量级)相互作用产生准单能质子束的过程。研究表明,基底层厚度及加速层厚度对质子能谱的影响至关重要。减小基底层厚度,靶后静电场增强,质子的最大能量显著增大;减小加速层厚度,靶后静电场分布变得更加均匀,质子能谱中心能量变化不大,单能性变好。通过优化参数,获得了能散度为7%的准单能质子束。     

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.     

keV质子辐照Kapton/Al的能量传输过程

采用TRIM和SRIM2003软件模拟计算了10—300keV能量区间质子辐照Kapton/Al的能量传输过程. 依据模拟结果选取了辐照能量参数, 在室温真空条件下, 采用空间综合辐照设备对Kapton/Al进行了质子辐照. 借助于表面红外光谱技术, 对Kapton的重要官能团特征峰做了定量分析, 通过特征峰处吸光度的变化得到了典型分子键的损伤截面. 平均损伤截面和电子能损的强烈依赖关系及TRIM计算结果一致说明keV质子辐照Kapton/Al的辐照损伤主要来自电子能损效应. 太阳吸收比的变化趋势和模拟结果都表明在入射能量80keV附近, 质子辐照Kapton/Al的辐照效应最大.     

塑料闪烁光纤在高能中子辐照下质子分布特性的数值模拟

 利用Geant4系统模拟了在高能中子照射下,塑料闪烁光纤中产生的反冲质子的分布特性,分析了入射中子能量分别为2,4,6,8 MeV时,产生的反冲质子能量和方向分布,给出了反冲质子在不同方向上的能量分布。结果表明:向前和向后出射的质子分布不对称;反冲质子的能量在零与入射中子能量之间连续地分布;接近垂直入射方向产生的质子数较多;入射中子能量越高,产生质子数越少;反冲质子的出射角度越小,其能量越大,即沿着入射中子方向的反冲质子能量较大,垂直入射方向的反冲质子能量较小。     

质子与羟基碰撞的含时密度泛函理论研究

采用将含时密度泛函理论和分子动力学非绝热耦合的方法,研究了不同入射速度下质子与羟基碰撞的反应动力学.计算了碰撞前后质子动能和羟基动能的变化及羟基电子和质子的运动.计算结果表明,质子沿垂直羟基分子轴方向入射时,质子与羟基碰撞后,质子被反弹且动能损失并俘获了羟基中氧的一部分电子,而丢失部分电子的羟基则获得动能以伸缩振动的形式向计算边界平动.随着入射质子的初动能增加,质子从羟基中俘获的电子增多,碰撞后羟基的键长变长,羟基振动变强而伸缩振动频率降低.此外,还发现质子的入射方向对碰撞过程的激发动力学有很大的影响.质子从不同的方向入射时,质子的入射初动能越大,其损失的动能越多且损失的动能与入射初动能呈线性关系,而入射方向对质子动能损失的影响很小.在质子入射初动能较低(小于25 eV)的情况下,羟基获得的动能与质子入射初动能呈线性关系且与入射方向无关;在质子入射初动能较高(大于25 eV)时,当质子沿羟基分子轴方向入射时,羟基动能的增量远大于质子沿垂直于羟基分子轴方向入射时羟基动能的增量.     

A model for pion absorption in nuclei

To describe pion absorption in nuclei, we introduce a model which assumes that incident pion is absorbed by the row of target nucleons along the beam direction. The momentum distribution of these nucleons after absorbing the pion is assumed to be determined by the phase space. The experimental data on the inclusive proton cross section are well reproduced.     

Collision site effect on the radiation dynamics of cytosine induced by proton

By combing the time-dependent density functional calculations for electrons with molecular dynamics simulations for ions (TDDFT-MD) nonadiabatically in real time, we investigate the microscopic mechanism of collisions between cytosine and low-energy protons with incident energy ranging from 150 eV to 1000 eV. To explore the effects of the collision site and the proton incident energy on irradiation processes of cytosine, two collision sites are specially considered, which are N and O both acting as the proton receptors when forming hydrogen bonds with guanine. Not only the energy loss and the scattering angle of the projectile but also the electronic and ionic degrees of freedom of the target are identified. It is found that the energy loss of proton increases linearly with the increase of the incident energy in both situations, which are 14.2% and 21.1% of the incident energy respectively. However, the scattering angles show different behaviors in these two situations when the incident kinetic energy increases. When proton collides with O, the scattering angle of proton is larger and the energy lost is more, while proton captures less electrons from O. The calculated fragment mass distribution shows the high counts of the fragment mass of 1, implying the production of H⁺ fragment ion from cytosine even for proton with the incident energy lower than keV. Furthermore, the calculated results show that N on cytosine is easier to be combined with low-energy protons to form NH bonds than O.     

加速器驱动次临界系统散裂靶参数优化计算

采用国际开源程序包Geant4,构建高能质子束轰击加速器驱动次临界系统(ADS)散裂靶的物理模型,模拟计算质子轰击液态金属铅、铅-铋合金和汞靶的泄漏中子谱分布,以及计算不同能量质子对应的铅靶泄漏中子产额和轴向积分分布,获得1 Ge V质子对应的铅圆柱靶优化参数,考虑入射质子的利用率和整个堆芯的体积质量,优化靶半径范围为16～24 cm,靶高为100 cm,相关研究结果可为(ADS)散裂靶的物理和工程设计提供理论依据。     

Comptonɢ���µ��������е����Ӽ���

应用电子与多光子集团非线性Compton散射模型,将入射和散射光作为离子的传输机制,研究了Compton散射下多束相干强耦合激光等离子体中离子的运动,给出了相对论离子动力学方程,并进行了数值模拟。研究发现,散射使光的传播速度减小,系统的矢势和标势增大,由入射和散射光形成的多束相干强耦合激光能使质子加速到5.40GeV的能量,而耦合轴向电场在其中起着关键作用。     

Compton散射下等离子体中的离子加速

应用电子与多光子集团非线性Compton散射模型,将入射和散射光作为离子的传输机制,研究了Compton散射下多束相干强耦合激光等离子体中离子的运动,给出了相对论离子动力学方程,并进行了数值模拟。研究发现,散射使光的传播速度减小,系统的矢势和标势增大,由入射和散射光形成的多束相干强耦合激光能使质子加速到5.40GeV的能量,而耦合轴向电场在其中起着关键作用。     

Deuteron production and space-time characteristics of high-energy hadron-nucleus reactions

The contribution of the coalescence mechanism to deuteron production is discussed on the basis of data on inclusive deuteron and proton production in hadron-nucleus interactions. The angular dependence and theA dependence of the coefficient of twonucleon coalescence into a deuteron are analysed for 7.5 GeV/c pA and 5 GeV/cπ ^? A interactions. The results suggest an elongated shape of the interaction region along the trajectory of the incident hadron and a successive knock-out of nucleons during propagation of the incident particle through a nucleus.     

Measurement of the proton spin polarizabilities at MAMI

The spin polarizabilities of the nucleon are fundamental structure constants which describe the response of the nucleon spin to an incident polarized photon. The most model-independent way to measure the nucleon spin polarizabilities is the Compton scattering with polarization degrees of freedom. Three Compton scattering asymmetries on the proton were measured in the Δ(1232) region using a polarized incident photon beam and a polarized (or unpolarized) proton target at the Mainz Microtron (MAMI). These asymmetries are sensitive to values of the spin polarizabilities. Fits to asymmetry data were performed using a dispersion model calculation, and a separation of all four proton spin-polarizabilities in the multipole basis was achieved. The values of the proton spin polarizabilities are presented.     

Spin polarization of 37K produced in a single-proton pickup reaction at intermediate energies

Spin polarization of 37K nuclei produced via single proton pickup from a 9Be target by a beam of 150 MeV/nucleon 36Ar has been observed. Positive spin polarization with magnitude (8.5+/-0.6)% was deduced near the peak of the 37K momentum distribution. The variation of the spin polarization as a function of outgoing 37K momentum is explained by a classical conservation model, as previously applied to describe the induced spin polarization observed for fragments produced in intermediate-energy heavy-ion reactions, with the condition that the picked-up proton has an average momentum equal to the Fermi momentum and is aligned along the incident beam direction.