空間粒子導(dǎo)致材料的非電離能損研究.pdf

1、本文主要討論空間輻射導(dǎo)致的飛行器中器件的輻射損傷。輻射與材料相互作用時(shí)通過電離和非電離兩種方式損失能量，由非電離引起的總能量損失(本文中用斜體表示，非電離能損,Non-Ionizing Energy，Loss，NIEL)中的一部分能量可導(dǎo)致核反沖，引起位移損傷(本文中把這部分能量損失用正體的非電離能損，Non-Ionizing Energy Loss，NIEL 來表示)。本文主要探討了NIEL 導(dǎo)致的器件的輻射損傷，通過對(duì)NIEL 的研

2、究可以估計(jì)空間輻射環(huán)境中器件的損傷程度，大大簡(jiǎn)化地面實(shí)驗(yàn)；建立了NIEL標(biāo)尺(NIEL Scaling)概念，從而可以利用地面實(shí)驗(yàn)來模擬空間復(fù)雜粒子能譜對(duì)半導(dǎo)體器件及光電器件的輻射損傷。 介紹了SHIELD和Geant4 程序的概況和二次開發(fā)情況。開發(fā)后的程序能夠很好的模擬空間任意軌道輻射環(huán)境中半導(dǎo)體材料和器件的NIEL。 利用兩體碰撞近似模型的解析公式以及蒙特卡羅程序SHIELD和Geant4分別計(jì)算了電子和質(zhì)子在半導(dǎo)

3、體材料Si和GaAs材料中的NIEL。蒙特卡羅程序所考慮的 NIEL來源有：初始粒子在材料中輸運(yùn)時(shí)和靶核發(fā)生庫(kù)侖相互作用，能使靶原子發(fā)生電離和激發(fā)，其中激發(fā)屬于 NIEL；當(dāng)初始粒子能量降低到不足以產(chǎn)生電離和激發(fā)時(shí)，可以使靶核在晶格位置產(chǎn)生振蕩，其能量以聲子的形式損失，其中聲子能量屬于NIEL；初始粒子與原子核的彈性碰撞和核反應(yīng)產(chǎn)生的反沖核動(dòng)能屬于NIEL。低能質(zhì)子導(dǎo)致的Si材料中的NIEL比在GaAs中的高，隨著能量的增加，Si和Ga

4、As中的NIEL都在降低。 以GaAs太陽(yáng)能電池為例，以六種典型空間軌道的質(zhì)子能譜為入射譜，用蒙特卡羅方法模擬計(jì)算了質(zhì)子在GaAs太陽(yáng)能電池中產(chǎn)生的NIEL。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在500km的軌道上，GaAs太陽(yáng)能電池中的NIEL最大；在13892km高的軌道上，GaAs太陽(yáng)能電池接受的位移損傷劑量最大。同時(shí)擬合出太陽(yáng)能電池的最大輸出功率與位移損傷劑量之間的關(guān)系式，并推知六種典型軌道上GaAs太陽(yáng)能電池在五年后的功率衰降率。以上結(jié)果可為航天