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     

氮化镓在不同中子辐照环境下的位移损伤模拟研究

电子器件中的半导体材料经过中子辐照后产生大量位移损伤,进而影响器件性能,氮化镓(GaN)材料是第三代宽禁带半导体, GaN基电子器件在国防、空间和航天等辐射服役环境中具有重要应用.本文利用蒙特卡罗软件Geant4模拟了中子在GaN材料中的输运过程,对在大气中子、压水堆、高温气冷堆和高通量同位素堆外围辐照区四种中子辐照环境下GaN中的初级反冲原子能谱及加权初级反冲原子能谱进行了分析.研究发现:在四种辐照环境下GaN中初级反冲原子能谱中,均在0.58 MeV附近处出现不常见的"尖峰",经分析该峰为核反应产生的H原子峰,由于低能中子(n, p)反应截面较大,该峰的强弱和低能中子占总能谱的比例有关;通过对比四种中子辐照环境下GaN中初级反冲原子能谱分布可知,大气中子能谱辐照产生的初级反冲原子能量更低、分布范围更广,裂变堆能谱下较高能量的初级反冲原子的比例较大,大气中子和高通量同位素堆辐照环境下的初级反冲原子能谱与加权初级反冲原子谱形状更相似,结合核反应产物对电学性能的影响,高通量同位素堆外围辐照区更适合用于模拟GaN在大气中子环境下的辐照实验.该结果对GaN基电子器件在辐射环境下长期服役评估研究和GaN材料的反应堆模拟中子辐照环境实验研究具有参考价值.     

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.     

掺铒锆钛酸铅镧陶瓷的上转换动力学分析

测量了掺铒锆钛酸铅镧(Er³⁺:PLZT)陶瓷的吸收光谱和上转换荧光光谱,利用Er³⁺:PLZT的吸收光谱,计算Er³⁺离子的辐射跃迁概率. 分析了980nm 激发下 Er³⁺:PLZT 的上转换荧光光谱,观察到明显的上转换荧光,且峰值位于540,564nm附近的绿色荧光带比 678nm 附近的红色荧光带强. 建立了Er³⁺离子跃迁的速率方程,通过求解速率方程并采用拟合荧光衰减实验曲线的方法,得出 关键词： 频率上转换 3+离子')" href="#">Er³⁺离子 锆钛酸铅镧陶瓷 速率方程     

高能重离子辐照的低活化钢硬化效应

为了探讨聚变堆候选低活化钢的抗辐照性能,在兰州重离子加速器国家实验室HIRFL的材料辐照终端,利用63 MeV的~(14)N离子和336 MeV的~(56)Fe离子在-50?C下对一种国产低活化钢进行辐照实验.借助离子梯度减能装置,使入射离子能量在0.22—6.17 MeV/u之间变化,从而在样品表面至24μm深度范围内产生0.05—0.20 dpa的原子离位损伤坪区.利用纳米压痕仪测试样品辐照前后的显微硬度,通过连续刚度测量(constant stiffness measurement)得到低活化钢硬度的深度剖面信息.使用Nix-Gao模型很好地描述了纳米压痕硬度随深度递减的现象(压痕尺寸效应,indentation size effect),从而有效避免了低能离子辐照的软基体效应(softer substrate effect).正电子湮灭寿命谱显示低活化钢在辐照之后长寿命成分增加,说明样品中产生了大量缺陷形成空位团,从而导致了材料力学性能的变化,在离子辐照剂量增加至0.2 dpa时,平均寿命τ_m增加量逐渐变慢,材料中辐照产生的缺陷趋于饱和.     

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.     

中子嬗变掺杂前后Ge纳米晶的结构和性质

采用第一性原理计算模拟Ge纳米晶在中子嬗变掺杂(NTD)后受空位、O和As杂质的影响.结果表明,退火方法引入的O并不能消除纳米晶中的辐照致空位缺陷的影响,而NTD 产生的As掺杂能补偿这些空位缺陷并消除禁带中产生的杂质能级,从而改善半导体掺杂性能.计算还发现,由于较高的电负性,纳米晶中O对Ge原子较强的吸附作用阻止了空位的形成,导致与缺陷相关的非辐射发光中心的浓度减小,发光效率提高,因此中子辐照掺杂前的高温退火处理是非常有必要的.计算较好地解释了已报道的实验结果. 关键词： Ge纳米晶 中子嬗变掺杂 第一性原理 空位缺陷     

镝掺杂锆钛酸铅镧透明陶瓷的结构和电光性能

针对锆钛酸铅镧(PLZT)电光陶瓷在光调制器应用中存在工作电压偏高、场致滞后明显等不足,以镧系镝(Dy)元素对锆钛酸铅镧(Pb0.88La0.12)(Zr0.4Ti0.6)0.96O3 [PLZT(12/40/60)]线性电光材料进行掺杂改性.采用热压技术研制镝掺杂锆钛酸铅镧[Pb0.88(La1-xDyx)0.12](Zr0.40Ti0.60)0.96O3](PLDZT)(x=0.1～0.5)透明电光陶瓷.系统考察了PLDZT透明陶瓷的光学性能和电光特性及其与材料结构的相关性.研究表明,Dy掺杂导致材料晶格畸变,微量Dy掺杂有效提高了 PLZT(12/40/60)透明陶瓷的光学透过率,并且使典型的线性电光材料呈现二次电光效应特征,二次电光系数R约为5.59×10-15m2/V2;同时掺杂改性的PLDZT(x=0.1)透明陶瓷的驱动电压较未改性PLZT材料明显降低.     

离子辐照对磷烯热导率的影响及其机制分析

通过离子辐照产生缺陷,可以非常有效地调控磷烯诸多物理性质.本文应用分子动力学方法模拟离子辐照磷烯的过程,给出了缺陷的形成概率与入射离子能量、离子种类以及离子入射角度之间的关系,并且应用非平衡态分子动力学计算辐照后磷烯热导率的变化.以缺陷形成概率为切入点,系统地研究了辐照离子的能量、辐照剂量、离子的种类以及离子的入射角度对磷烯热导率的影响.应用晶格动力学方法研究了空位缺陷对磷烯声子参与率的影响,并计算了声子局域模式的空间分布.基于量子微扰和键弛豫理论,指出空位缺陷明显降低磷烯热导率的最重要物理机制是空位缺陷附近的低配位原子对声子强烈散射.本文研究可为缺陷工程调控磷烯的热输运性质提供理论参考.     

BIT/PLZT/BIT多层铁电薄膜结构设计及制备的实验研究

为了有效阻止锆钛酸铅镧(PLZT)与半导体界面发生反应和互扩散,根据锆钛酸铅镧和钛酸铋(B IT)各自的铁电性能,提出了一种新的设计思想———多层铁电薄膜.采用脉冲准分子激光淀积(PLD)方法制备了B IT/PLZT/B IT多层铁电薄膜.采用Sawyer-Tower电路测量,其剩余极化强度Pr=34μC/cm2,矫顽场Ec=40 kV/cm.这种结构吸收了锆钛酸铅镧和钛酸铋的优点,提高了铁电薄膜的铁电性能.     

质子与中子辐照对电荷耦合器件暗信号参数的影响及其效应分析

对科学级电荷耦合器件(charge-coupled device, CCD)进行了质子和中子辐照试验及退火试验, 应用蒙特卡洛方法计算了质子和中子在CCD中的能量沉积, 分析了器件的辐射损伤机理. 仿真计算了N⁺埋层内沉积的位移损伤剂量, 辐照与退火试验过程中主要考察暗信号的变化规律. 研究结果显示, 质子与中子辐照均会引发暗信号退化, 其退化的规律与位移损伤剂量变化一致; 退火后, 质子辐照所致CCD暗信号大幅度恢复, 其体暗信号增加量占总暗信号增加量的比例最多为22%; 中子辐照引发的暗信号增长主要为体暗信号. 质子和中子在N⁺埋层产生相同位移损伤剂量的情况下, 两者导致的体暗信号增长量相同, 质子与中子辐照产生的体缺陷对体暗信号增长的贡献是同质的.     

He,Au离子辐照AuCu_3致元素表面偏析

采用磁控溅射方法在单晶硅(111)衬底上制备了AuCu_3薄膜,用2 MeV He离子和1 MeV Au离子对薄膜进行辐照,用卢瑟福背散射对He,Au离子辐照前后AuCu_3薄膜近表面的成分变化进行了分析,对不同离子辐照导致的表面元素偏析行为进行了研究.结果表明:当2 MeV He离子辐照时,随着辐照剂量增大,观察到样品近表面Au元素偏析的趋势;当1 MeV Au离子辐照时,随着辐照剂量增大,观察到样品近表面Cu元素偏析的趋势,与He离子辐照相反.通过对He,Au离子在样品中产生的靶原子空位及其分布分析,发现靶原子空位浓度分布的梯度是导致两种不同表面元素偏析趋势的原因,空位扩散是其中的主要机理.     

超强激光与固体气体复合靶作用产生高能氦离子

激光氦离子源产生的MeV能量的氦离子因有望用于聚变反应堆材料辐照损伤的模拟研究而得到关注.目前激光驱动氦离子源的主要方案是采用相对论激光与氦气射流作用加速高能氦离子,但这种方案在实验上难以产生具有前向性和准单能性、数MeV能量、高产额的氦离子束,而这些氦离子束特性是材料辐照损伤研究中十分关注的.不同于上述激光氦离子产生方法,我们提出了一种利用超强激光与固体-气体复合靶作用产生氦离子的新方法.利用这种方法,在实验上,采用功率密度5×10~(18)W/cm~2的皮秒脉宽的激光脉冲与铜-氦气复合靶作用,产生了前向发射的2.7 MeV的准单能氦离子束,能量超过0.5 MeV的氦离子产额约为10~(13)/sr.二维粒子模拟显示,氦离子在靶背鞘场加速和类无碰撞冲击波加速两种加速机理共同作用下得到加速.同时粒子模拟还显示氦离子截止能量与超热电子温度成正比.     

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。     

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...     

辐照损伤对钨晶格热导率影响的分子动力学研究

钨是最具应用前景的面向等离子体候选材料,但核聚变堆内强烈的辐照环境会使钨的近表面区域产生辐照损伤,进而影响其关键的导热性能.本文构建了包含辐照损伤相关缺陷的晶体钨模型,并采用非平衡分子动力学的方法定量研究了这些缺陷对钨导热性能的影响.结果表明,随中子辐射能量的增加,晶体内部留下的Frenkel缺陷数目增多进而导致钨的晶格热导率降低;间隙原子比空位更易于向晶界偏聚,且钨中的间隙钨原子与空位相比,使晶格热导率下降程度更大.纳米级氦气泡导致晶格热导率的显著降低,气孔率为2.1%时晶格热导率降至完美晶体的约25%.这些不同的缺陷造成不同程度的周围晶格扭曲,增加了声子散射几率,是导致晶格热导率下降的根源.     

位移损伤诱发CMOS图像传感器电荷转移损失退化的理论模拟研究

以4T PPD（4个晶体管的钳位光电二极管）型CMOS图像传感器为研究对象，开展注量为1×10¹¹,3×10¹¹,5×10¹¹,7×10¹¹,1×10¹² neutron/cm²的中子辐照下损伤模拟的研究，建立CMOS图像传感器的器件模型和不同注量中子辐照后位移损伤的缺陷模型；采用相关双采样技术测量由亮到暗连续两帧时序脉冲下浮置节点（FD）的输出值，建立测量电荷转移损失（CTI）的模拟方法；获得CTI随中子辐照注量的变化关系，分析CTI随中子累积注量的变化规律，结合中子辐照效应实验验证中子辐照诱发CTI退化的理论模拟计算结果的有效性。研究结果表明，CMOS图像传感器的位移损伤敏感区域为空间电荷区域，中子辐照后会在空间电荷区中引入位移损伤缺陷，这些缺陷通过不断俘获和发射载流子，使信号电荷不能快速转移到FD中，造成电荷转移损失；电荷转移损失随着中子辐照注量的增加而增大，二者在一定范围内呈线性关系。     

分子动力学模拟BCC铁中级联碰撞产生的缺陷结构及其演变(英文)

用分子动力学模拟BCC铁中级联碰撞原子的演变过程.结果显示,级联碰撞的原子不仅可以临时地产生自间隙原子、空位、以及<100>,<110>和<111>哑铃型缺陷,也可以产生<110>和<111>,以及<110>和<110>哑铃型缺陷的复合缺陷.模拟显示在模拟的能量范围内,如果初级碰撞原子的能量越大,该原子引起的级联碰撞覆盖区域会越大.发现具有几千电子伏特初级碰撞能量的原子引起的级联碰撞覆盖区域大约为11~15个晶格常数大小.同时还发现在级联碰撞的初始阶段(0.0~0.75 ps)不仅会有自间隙原子与空位的生成,同时也会有少量的自间隙原子与空位缺陷复合而消失.     

辐照导致钨表面的溅射现象的理论研究

采用基于量子力学的分子动力学方法,模拟了高能粒子辐照导致钨表面的溅射和结构损伤.结果显示,当PKA能量高于200 eV且入射角度大于65°时开始产生溅射原子,当入射角度在45°-65°之间时,钨表面因受辐照而导致的空位数目最少.因此,当PKA入射角度取在45°-65°之间时,可以有效地降低辐照导致的钨表面的结构损伤.还发现钨表面含有间隙原子时会加剧表面原子溅射,而包含空位原子且PKA取在空位附近时则会抑制表面原子的溅射.     

质子对BaTiO3薄膜辐照损伤的计算机模拟

本文先应用分子动力学模拟BaTiO₃体系在初级击出原子(primary knock-on atom, PKA)轰击下缺陷产生和复合的动力学过程, 模拟结果表明：PKA的方向和能量对缺陷数目有重要影响, 并计算了Ba, O和Ti原子的平均位移阈能分别为69 eV, 51 eV和123 eV, 远大于SRIM程序默认的位移阈能25 eV. 然后应用蒙特卡罗软件包SRIM, 模拟质子在BaTiO₃薄膜中的能量损失过程, 比较位移阈能对模拟结果的影响, 分析质子能量和入射角度对空位数量以及分布的影响. 结果表明空位数量随着质子能量增加而增加, 增加的速率随能量的增加是降低的;当入射角度大于60°, 空位数量随入射角增大而明显减少.