CN106501284B - 模拟不同注量率中子辐照的试验方法 - Google Patents

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Abstract

模拟不同注量率中子辐照的试验方法，涉及材料和器件的辐照试验。为了解决采用中子辐照产生的位移辐射损伤易形成位移缺陷，进而造成材料和器件性能退化的问题。所述方法为：选择重离子的类型和注量率，利用选择的重离子对材料和器件进行辐照，使所述材料和器件产生的位移损伤程度与待模拟注量率的中子辐照产生的位移损伤程度相同。选择的重离子的射程大于材料的厚度或器件有源区深度的2倍。在满足重离子加速器的要求的前提下，选择的重离子的注量率的范围为104～109ion/cm2·s，在所述范围内选择重离子的类型，使一个重离子产生的位移吸收剂量最小。本发明基于重离子辐照实现不同注量率中子辐照所产生的位移缺陷状态，原位检测性能退。

Description

模拟不同注量率中子辐照的试验方法
技术领域
本发明涉及材料和器件的辐照试验，尤其涉及一种模拟不同注量率中子辐照的试验方法，属于核科学与技术领域。
背景技术
在位移辐射环境中，相同注量条件下，不同注量率中子辐照对材料和器件所造成的辐照损伤程度不同。尤其是，在空间辐射环境中，单位时间内粒子的密度不同。应用中子辐照模拟空间的位移损伤时，需要应用不同的注量率进行模拟，以研究不同注量率条件下，材料和器件的辐射损伤程度。实际应用中，对中子注量率范围要求的典型值在104～1013n/cm2s之间。这给材料和器件位移损伤地面辐照模拟实验测试评估方法带来了巨大的挑战。首先，在中子辐照试验过程中，很难原位检测材料和器件的性能变化；其次，经中子辐照后，材料和器件均会被不同程度地活化，不利于及时分析缺陷的演化状态。由于上述两点不利因素的存在，使得地面实验室测试方法得到的不同注量率中子辐照条件下，材料和器件抗辐射水平与在空间环境下实际的抗辐射能力严重不符合，从而给航天器用材料和器件的可靠性评估带来极大的隐患。
中子辐照所产生的位移辐射损伤效应，会在材料和器件中产生的间隙原子和空位对。这些间隙原子和空位可以通过彼此的相互作用或与其它原子结合成为稳定的辐射缺陷，如氧空位缺陷(VO)、双空位缺陷(V2)和磷空位缺陷(VP)等。这些位移损伤缺陷的存在会造成材料和器件性能退化，进而对在辐射环境下服役的单机及系统的可靠性和寿命产生严重影响。在不同注量率辐照条件下，单位时间内产生的间隙原子——空位对数量不同，进而会影响最终的稳定缺陷状态。
发明内容
本发明的目的是为了解采用中子辐照产生的位移辐射损伤易形成位移缺陷，进而造成材料和器件性能退化的问题，本发明提供一种模拟不同注量率中子辐照的试验方法。
本发明的模拟不同注量率中子辐照的试验方法，所述方法为：选择重离子的类型和注量率，利用选择的重离子对材料和器件进行辐照，使所述材料和器件产生的位移损伤程度与待模拟注量率的中子辐照产生的位移损伤程度相同。
优选的是，选择的重离子的射程大于材料的厚度或器件有源区深度的2倍。
优选的是，在满足重离子加速器的要求的前提下，选择的重离子的注量率的范围为104～109ion/cm2·s，在所述范围内选择重离子的类型，使一个重离子产生的位移吸收剂量最小。
优选的是，所述利用选择的重离子对材料和器件进行辐照，使所述材料和器件产生的位移损伤程度与待模拟注量率的中子辐照产生的位移损伤程度相同的方法为：
使选择的重离子辐照产生的总位移吸收剂量与待模拟注量率的中子辐照产生的总位移吸收剂量相等；
总位移吸收剂量D'(E)表示一个重离子或中子所产生的位移吸收剂量，E表示重离子或中子的能量，表示重离子或中子的注量率，D'(E)通过Geant4或SRIM软件计算获得。
本发明的有益效果在于，本发明基于重离子辐照，通过选择控制重离子总位移吸收剂量的大小，来实现不同注量率中子辐照所产生的位移缺陷状态，原位检测性能退化的目的。本发明不会对材料和器件产生活化，步骤简单，易于操作。
附图说明
图1为不同辐照注量率中子辐照时稳定缺陷的产率。
图2为不同类型粒子辐照条件下双极晶体管过剩基极电流随发射结电压变化关系。
图3为不同类型粒子辐照条件下双极晶体管过剩基极电流随发射结电压变化关系。
具体实施方式
具体来说，为了达到上述技术目的，本发明的模拟不同注量率中子辐照的试验方法采用如下技术方案：
选择重离子的类型和注量率，利用选择的重离子对材料和器件进行辐照，使所述材料和器件产生的位移损伤程度与待模拟注量率的中子辐照产生的位移损伤程度相同。
中子辐照所产生的位移辐射损伤是以间隙原子和空位为主。这两类缺陷常温条件下扩散能力较强。在扩散过程中，这两种缺陷或复合，或形成稳定的位移缺陷。只有稳定的缺陷会对材料和器件的性能产生较大的影响，导致材料和器件可靠性和寿命发生退化。不同注量率条件下，单位时间内产生的间隙原子和空位对数量不同，进而其复合率不同，导致最终的稳定缺陷状态不同。本实施方式通过选择重离子的类型和注量率进行辐照，可以产生与不同注量率中子辐照相类似的缺陷状态，且能够原位检测材料和器件的性能退化及缺陷的演化，达到用不同类型重离子辐照来模拟不同注量率中子辐照试验的目的。
本实施方式可以缩短试验时间及原位检测性能退化的位移损伤效应，其应用对象包括半导体材料、电子元器件及电子模块。本实施方式在不影响材料和器件位移损伤缺陷状态的基础上，为了模拟不同注量率中子辐照，通过不同类型重离子辐照，加速材料和器件内部的位移辐射缺陷产生，并不诱发材料和器件的活化效应，从而起到等效模拟不同注量率中子位移损伤效应的作用，达到缩短试验时间及原位检测性能退化的目的。不同注量率条件下1MeV中子产生的位移辐射缺陷状态示意图，如图1所示。
优选的实施例中，选择的重离子的射程大于材料的厚度或器件有源区深度的2倍。
本实施方式需要保证重离子的射程足够大，使材料和器件形成稳定的缺陷。
优选的实施例中，在满足重离子加速器的要求的前提下，选择的重离子的注量率的范围为104～109ion/cm2·s，在所述范围内选择重离子的类型，使一个重离子产生的位移吸收剂量最小。
本实施方式选择的重离子，在确定的范围内，要同时满足重离子加速器的要求和使一个重离子产生的位移吸收剂量最小，以确定重离子的注量率，使重离子辐照后形成的位移损伤程度与待模拟注量率的中子辐照产生的位移损伤程度相同，等效性更好。
优选的实施例中，利用选择的重离子对材料和器件进行辐照，使所述材料和器件产生的位移损伤程度与待模拟注量率的中子辐照产生的位移损伤程度相同的方法为：
使选择的重离子辐照产生的总位移吸收剂量与待模拟注量率的中子辐照产生的总位移吸收剂量相等；
总位移吸收剂量D'(E)表示一个重离子或中子所产生的位移吸收剂量，E表示重离子或中子的能量，表示重离子或中子的注量率，D'(E)通过Geant4或SRIM软件计算获得。
具体实施例：
步骤一、根据待模拟的中子能量En和注量率通过Geant4或SRIM软件进行仿真计算，理论计算模拟出中子所产生的总位移吸收剂量Dn；其中，D'n(En)为一个中子所产生的位移吸收剂量；
步骤二、按照下面两个条件，选择重离子的类型和注量率使获得的位移损伤程度与中子的位移损伤程度相同，即：选择的重离子辐照产生的总位移吸收剂量DI与Dn相等；
条件1：重离子的射程足够大，大于材料的厚度或器件有源区深度的2倍；
条件2：在满足重离子加速器的要求的前提下，重离子的注量率在104～109ion/cm2·s范围内选择，使一个重离子产生的位移吸收剂量DI'(EI)最小。
重离子注量率其中DI'(EI)通过Geant4或SRIM软件计算获得。
为了进一步说明应用重离子辐照模拟不同注量率中子辐照的合适性，选择辐照源为不同注量率的中子，以及不同类型的重离子，辐照温度为室温。图2对比分析了1E5n/cm2s1MeV中子辐照和1E3ions/cm2s 25MeV C离子辐照条件下，双极晶体管过剩基极电流随随发射结电压的变化关系。由图2中可以看出，在不同总位移吸收剂量条件下，在总位移吸收剂量分别为10rad和50rad的情况下，25MeV C离子可以很好模拟1MeV中子的损伤程度。在相同的总位移辐照吸收剂量下，1E3ions/cm2s 25MeV C离子辐照造成的损伤程度与1E5n/cm2s 1MeV中子辐照损伤程度相同。图3对比分析了1E9n/cm2s 1MeV中子辐照和1E7ions/cm2s 20MeV O离子辐照条件下，双极晶体管过剩基极电流随随发射结电压的变化关系。由图可见，20MeV O离子同样很好地模拟了1MeV中子的损伤情况。对比图2和3可知，中子的辐照注量率越小，造成的损伤程度越大，这种情况均可被重离子很好地模拟。
本发明所提出的技术途径能够大幅度降低试验的费用，并且提高了试验操作人员的安全性，对材料和器件空间环境效应地面模拟试验和研究具有重大的意义。在空间环境效应研究与抗辐照加固技术应用中，有着明显的优势和广泛的应用前景。

Claims (1)

1.模拟不同注量率中子辐照的试验方法，其特征在于，所述方法为：
步骤一：根据待模拟的中子能量En和注量率通过Geant4或SRIM软件进行仿真计算，理论计算模拟出中子所产生的总位移吸收剂量Dn；
步骤二：选择重离子的类型和注量率利用选择的重离子对材料和器件进行辐照，使所述材料和器件产生的位移损伤程度与待模拟注量率的中子辐照产生的位移损伤程度相同，即：选择的重离子辐照产生的总位移吸收剂量DI与Dn相等；
条件1：重离子的射程足够大，大于材料的厚度或器件有源区深度的2倍；
条件2：在满足重离子加速器的要求的前提下，重离子的注量率在104～109ion/cm2·s范围内选择，使一个重离子产生的位移吸收剂量DI'(EI)最小；
重离子注量率其中D'I(EI)通过Geant4或SRIM软件计算获得。
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