质子在氮化镓中产生位移损伤的Geant4模拟

材料受到辐照时产生的位移损伤会导致其微观结构发生变化,从而使其某些使用性能退化,影响其使用效率,减短其使用寿命。利用Geant4模拟了质子在氮化镓中的输运过程,计算了1、10、100、500 MeV能量质子入射氮化镓材料产生的初级撞出原子的种类、能量信息及离位原子数。获得了10 MeV质子产生的位移缺陷分布;计算了4种能量质子入射氮化镓材料产生的非电离能量损失(NIEL);研究了质子产生位移损伤过程的影响要素。研究发现,入射质子能量对其在材料中产生的初级撞出原子的种类、能量、离位原子数等信息有着非常大的影响;单位厚度所沉积NIEL随着入射质子能量的增大而减小;10 MeV质子入射氮化镓所产生的离位原子数随入射深度的增加而增加,但在超出其射程范围以外有一巨大回落;能量并不是影响质子与氮化镓靶材料相互作用的唯一因素。     

质子和中子引起的单粒子效应及其等效关系理论模拟

根据器件几何尺寸、掺杂浓度、偏压等因素确定灵敏体积和临界电荷，从而提出单粒子效应的物理模型。考虑了质子和中子在硅中的弹性散射、非弹性散射、两体反应、多体反应以及质子的库仑散射等所有相互作用类型，采用蒙特卡罗方法模拟跟踪入射粒子与核的相互作用以及各种次级带是粒子和反冲核的能量沉积过程。采用Ziegler的拟合公式精确计算质子、a粒子、氚核、反冲核等带电离子的能量沉积。根据模拟结果确定了两种粒子引起的单粒子效应等效系数，并将模拟结果与实验数据进行了对比。     

1 MeV中子在Si和SiO2中非电离能量损失和电离能量损失的蒙特卡罗计算

在现有实验数据的基础上结合多种理论，给出了计算中子在材料中非电离能量损失（NIEL）和电离能量损失（IEL）的蒙特卡罗（MC）计算方法，利用此方法编写的计算程序可以对任意材料、多层结构中中子产生的NIEL和IEL以及空位和声子分布等进行计算。对硅和二氧化硅材料1MeV中子损伤进行的计算结果表明，此方法是可行的。     

半导体材料电子非电离能损的分析法计算

非电离能损(NIEL)可用于预测半导体器件在空间辐射环境中位移损伤引起的性能参数退化,计算模型选用经典NIEL模型,计算了能量范围为100 keV～200 MeV的电子入硅、锗、砷化镓材料的NIEL,及微分散射截面、林哈德因子和位移原子数量等信息.考虑到经典NIEL模型在入射电子能量较低的情况下得出的位移原子数量不够精确,所以用分子动力学(MD)方法加以改良,得出在低能区域更真实的位移原子数量,用于修正经典NIEL,并分析了MD模型下新的位移阈值能对计算结果的影响.     

不同粒子在硅中能量沉积的计算及比较

在粒子与物理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）以及电子和γNIEL的Monte Carlo计算程序,利用编写的程序以及TRIM95和SANDYL程序计算了1MeV中子、20MeV以下电子和γ在硅中IEL和NIEL的大小和分布。对计算结果进行了分析和比较。     

空间质子屏蔽材料优化选择的蒙特卡罗模拟

本文考虑在地球内辐射带、轨道高度为556 km、轨道与赤道倾角为90°的飞行器空间的质子环境,对不同的单质屏蔽材料(铝、钨、钽、铅等)和含钨复合涂层,利用SHIELD程序进行蒙特卡罗(M-C)模拟,分析了经过屏蔽材料层后在硅材料中产生的能量沉积、非电离能损( Non-Ionizing Energy Losses,NIEL)、透射质子能谱、二次粒子及其能量和核反应生成的核素等计算结果,并进行了屏蔽材料组分和排序的优化选择.     

质子核反应二次粒子引起的静态存储器单粒子翻转截面计算

研究建立了质子单粒子翻转截面计算方法。基于蒙特卡罗软件Geant4,计算分析了不同能量质子核反应产生二次粒子对有效体积带来的影响,确定了有效体积大小。计算了静态随机存取存储器的质子单粒子翻转截面和多位翻转截面。计算结果在趋势上与双参数公式所预言的相符合,并可得到很高能量质子引起的极限截面;在较低能段的数据与文献的理论和实验值相符。     

基于GEANT4模拟分析不同能量质子在CMOS APS中的位移损伤研究

本文针对图像传感器在空间辐射环境中电学性能退化问题,采用蒙特卡罗方法基于互补金属氧化物半导体（CMOS）APS器件建立几何模型,开展不同能量质子与靶原子的相互作用过程研究。通过研究不同能量质子辐照下初级碰撞原子的能谱分布及平均位移损伤能量沉积随质子能量的变化,讨论不同能量质子及空间站轨道质子能谱下在CMOS APS器件中位移损伤的差异。计算结果表明：随着入射质子能量的增大,辐照产生的初级碰撞原子的最大能量及核反应产生的初级碰撞原子（PKA）对位移损伤能量沉积的贡献逐步增加;对于大于1 MeV的质子辐照,CMOS APS器件中位移损伤研究可忽略氧化层的影响;不同能量的质子和CREME96程序中空间站轨道质子能谱下器件中位移损伤能量沉积分布结果显示,35 MeV质子与该空间站轨道质子能谱在器件敏感区中产生的总位移损伤能量沉积相近。该工作对模拟空间站轨道质子辐照下电子器件暗电流增长研究中辐照实验的能量选择,提供了参考依据。     

散裂中子靶能量沉积研究

利用SHIELD程序研究了中高能质子入射在长0．6m、直径0．2m的圆柱形铅靶上的第入射质子产生的能量沉积。同时计算了靶材料分别为Be、C、Al、Cu、Pb和贫化铀的每个射质子产生的能量沉积沿轴向分布。计算结果与实验数据符合很好。分别对束流为10mA、能量为1．5Ge质子点入射、散焦入射散理解靶能量沉积引起的靶内功率密度分布进行了研究。     

Ce:YAG闪烁晶体的γ射线相对能量响应研究

Ce:YAG闪烁晶体对在脉冲γ射线测量有重要应用,本文研究其γ射线相对能量响应.用Compton散射原理把强60Co源分解成若干单能点γ射线源,测定了国产Ce:YAG闪烁晶体的γ射线相对能量响应,将结果与质能吸收系数的数值计算结果相比较,两者在实验测量不确定范围内符合得很好.结果表明,用质能吸收系数进行无机闪烁晶体的γ射线相对能量响应的数值计算方法可靠,Compton散射原理提供较合适的单能γ射线辐射源以实验刻度无机闪烁晶体的γ射线的相对能量响应的方法也可行,可用于检验数值计算结果的可靠性.     

Factors determining the damage coefficients and the low-frequency noise in MeV proton-irradiated silicon diodes

In this paper, the factors determining the reverse current and the recombination lifetime damage coefficients in high-energy proton-irradiated Si junction diodes are studied. These factors are: the particle energy, the crystal growth technique and corresponding starting material quality, and the substrate doping density and type. The observed macroscopic device degradation is discussed in view of the microscopic damage factor, the nonionizing energy loss (NIEL). Finally, the impact of proton irradiation on the low-frequency noise in forward operation is reported. Several experimental factors lead to the conclusion that the change in the flicker noise is related to the created ionization damage in the lateral oxide isolation at the periphery of the diode rather than to the bulk displacement damage.     

Geant4在中子辐射效应中的应用

中子辐射效应是半导体器件在辐射环境中损伤的重要因素。本文建立了中子在半导体材料中的电离和非电离能量沉积、原子空位密度的Geant4模拟方法。电离能量沉积可用于分析电离总剂量效应,非电离能量沉积可用于分析位移损伤效应。电离kerma因子的模拟结果定量解释了中子辐照在CMOS工艺单片机中引起的电离增强效应。通过原子空位密度计算了中子引入的附加陷阱密度,分析了位移损伤对电离效应的增强作用。实验和模拟结果表明,中子的电离能量沉积加剧了CMOS工艺单片机的退化。     

柔性倒置赝型三结太阳电池高能质子辐射效应研究

为考察柔性薄膜GaInP/GaAs/InGaAs倒赝型三结（IMM3J）太阳电池的抗辐照性能,本文对其进行了1、3、5 MeV高能质子辐照。SRIM模拟结果表明,1、3、5 MeV质子辐照在IMM3J电池中造成均匀的位移损伤。光特性(LIV)结果表明,开路电压(Voc)、短路电流(Isc)和最大输出功率(Pmax)与质子注量呈对数退化规律。通过非电离能量损失（NIEL）将不同能量质子的注量转化为位移损伤剂量（DDD）,结果显示,Voc和Pmax与DDD呈对数退化规律,而Isc遵循两种不同的退化规律。光谱响应测试证明,GaInP子电池具有优异的抗辐照性能,3个子电池中InGaAs(10 eV)子电池的抗辐照性能最差。     

8T CMOS图像传感器质子辐照效应研究

本文对新型8T CMOS图像传感器进行了不同能量的质子辐照实验。由于质子辐照后同时引入电离总剂量(TID)效应和位移损伤剂量（DDD）效应,使得器件参数的退化机理复杂。为了具体区分导致不同参数退化的主要因素,采用等效TID法和等效DDD法。实验得出DDD效应主要引起暗电流的退化,而TID效应主要导致光谱响应的退化,实验结果为辐射环境下图像传感器的加固设计提供了理论依据。     

Determination of the EL2 introduction rate and Fermi-level shift due to proton and pion irradiation in semi-insulating GaAs

The bulk damage (namely the introduction rate of the arsenic antisite As_Ga and its ionisation ratio, the Fermi-level position and resistivity) was determined as a function of the non-ionising energy loss (NIEL) of hadrons in semi-insulating (SI) GaAs. The study was performed using near-infrared (NIR) absorption and time dependent charge measurements (TDCM) on 23 GeV proton and 192 MeV pion irradiated Liquid Encapsulated Czochralski (LEC) grown GaAs. We have shown that the bulk damage scales linearly with the total NIEL up to a pion fluence of 5 × 10¹⁴ particles/cm². The EL2 introduction rate for the high energetic pions and protons were determined to be 92.7 ± 2.6 cm⁻¹ and 68.1 ± 3.7 cm⁻¹, respectively. A comparison of these values gives a hardness factor for the 192 MeV pions of 9.5 ± 1.4. In addition it was found that the variation of the Fermi-level and resistivity with radiation damage is a function of the initial resistivity of the SI GaAs before irradiation.     

Adjusted NIEL calculations for estimating proton-induced degradation of GaInP/GaAs/Ge space solar cells

The non-ionizing energy loss (NIEL) values for protons in solar cells should be modified by taking into account the distribution of the Bragg damage peak in the active region to calculate the corresponding displacement damage dose. In this paper, based upon a thin target approximation, a new approach is presented to modify NIEL values for protons on a GaAs sub-cell. Adjusted NIEL values can be used to estimate the degradation induced by protons on GaInP/GaAs/Ge triple-junction space solar cells.