CN108335979B - 同时产生电离和位移缺陷的辐照粒子能量选择方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了同时产生电离和位移缺陷的辐照粒子能量选择方法，属于空间环境效应、核科学与应用技术领域。本发明的辐照粒子能量选择方法其应用对象包括各类航天器用关键材料和器件，基于Monte Carlo计算方法，在特定材料状态条件下，计算单位注量入射粒子的电离/位移吸收剂量和射程。根据电离和位移吸收剂量的比例关系，即可确定入射粒子的能量，保证其同时产生稳定的电离和位移缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及电离/位移协同效应，属于空间环境效应、核科学与应用技术领域，尤其涉及同时产生电离和位移缺陷的辐照粒子能量选择方法。
背景技术
随着人类航天事业的发展，不同类型材料和器件在空间环境中的使用频率日益增多，空间环境对于航天器用关键材料和器件的影响也日益突出。人类70年的航天探索实践表明，空间环境对航天器是苛刻的、不可忽视的，有着极其重要的影响，是诱发航天器异常和故障的重要原因。其中，以空间带电粒子辐射环境对航天器用关键材料和器件的影响最为突出。这些不同类型的空间带电粒子同时作用于航天器用关键材料和器件，导致空间综合环境效应，尤其是电离/位移协同效应。
电离/位移协同效应包括两方面含义：一是同种粒子本身同时产生电离和位移效应时，彼此发生交互作用。二是两种不同种类的粒子分别产生电离和位移效应时彼此发生交互作用。无论哪种形式诱导的协同效应，其微观机理涉及电离缺陷和位移缺陷交互作用的方式。电离缺陷和位移缺陷主要通过两种方式进行交互作用：间接和直接作用方式。并且，常常是这两种方式同时作用的结果。为了深入研究电离缺陷和位移缺陷交互作用机制，有必要分别针对间接作用过程和直接作用过程开展研究工作。
基于一种粒子辐照同时产生电离和位移缺陷，开展电离/位移协同效应研究，操作方便，便于控制，节约时间及成本。然而，不同能量的粒子电离和位移损伤能力不同。有些粒子主要导致电离损伤、有些粒子主要导致位移损伤，有些粒子既能产生电离损伤同时可以产生位移损伤。如何选择合适的能量开展电离/位移协同效应、电离缺陷和位移缺陷缺陷演化研究是目前研究的热点及难点问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决无法有效的选择合适的能量开展电离/位移协同效应的问题，本发明提供一种基于Monte Carlo(蒙特卡罗方法)方法以有效选择合适的能量开展电离/位移协同效应的同时产生电离和位移缺陷的辐照粒子能量选择方法。
本发明提供了一种同时产生电离和位移缺陷的辐照粒子能量选择方法，提供一入射粒子库，所述入射粒子库中存储多种入射粒子；所述辐照粒子能量选择方法包括下述步骤：
S1.识别待测样品的类型，所述待测样品至少包括一层材料层，分析所述待测样品的组分，以获取每层材料层厚度，预设所述待测样品表面最大入射阈值距离；
S2.从所述入射粒子库选择一种入射粒子，采用蒙特卡罗方法计算采用所述入射粒子入射所述待测样品时的入射深度，及单位注入的所述入射粒子在每层所述材料层内的电离吸收剂量Idi和位移吸收剂量Ddi；
其中，i表示第i层材料层；
S3.判断所述入射深度是否大于或等于4倍的最大入射阈值距离，若是，执行步骤S5；若否，执行步骤S4；
S4.将所述入射粒子在所述入射粒子库移除，返回执行所述步骤S2；
S5.采用蒙特卡罗方法计算所述入射粒子入射所述待测样品时，单位路径上所损失的能量；
S6.判断损失的能量在每层所述材料层内的不均匀度是否均符合预设范围，若是，执行步骤S7；若否，返回执行步骤S4；
S7.根据单位注入的所述入射粒子在每层所述材料层内的电离吸收剂量Idi和位移吸收剂量Ddi，计算Yi＝log(Idi/Ddi)的值，Yi表示入射粒子在第i层材料层中的电离损伤能力值；
S8.判断每一材料层的Yi是否均符合预设条件，所述预设条件为：3≤Yi≤5，若是，则所述入射粒子能同时在所述待测样品产生电离缺陷和位移缺陷；若否，则返回所述步骤S4。
优选的，所述入射粒子库中包括的入射粒子类型为：电子、质子、重离子、中子、光子和介子。
优选的，所述待测样品的类型包括：功能型材料样品，和/或结构型材料样品，和/或器件型材料样品。
优选的，所述材料层包括：绝缘材料层；或
所述材料层包括：绝缘材料层和半导体材料层。
优选的，所述预设范围为小于等于10％。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明的有益效果在于，本发明的辐照粒子能量选择方法步骤简单，易于操作。本发明的技术途径能够大幅度降低试验的费用，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。
附图说明
图1为本发明所述的同时产生电离和位移缺陷的辐照粒子能量选择方法的一种实施例的方法流程图；
图2为本发明的入射粒子在半导体材料中诱发的电子/空穴对、间隙原子/空位对、以及稳定电离和位移缺陷示意图；
图3为单位注量的1MeV电子和3MeV质子在NPN晶体管中的电离和位移吸收剂量曲线图；
图4为1MeV电子辐照电离缺陷(氧化物电荷和界面态)和位移缺陷(氧空位心)信号的曲线图；
图5为3MeV质子辐照电离缺陷(氧化物电荷)和位移缺陷(氧空位心和双空位心)信号的曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1所示，一种同时产生电离和位移缺陷的辐照粒子能量选择方法，提供一入射粒子库，所述入射粒子库中存储多种入射粒子；所述辐照粒子能量选择方法包括下述步骤：
S1.识别待测样品的类型，所述待测样品至少包括一层材料层，分析所述待测样品的组分，以获取每层材料层厚度，预设所述待测样品表面最大入射阈值距离；
S2.从所述入射粒子库选择一种入射粒子，采用蒙特卡罗方法计算采用所述入射粒子入射所述待测样品时的入射深度，及单位注入的所述入射粒子在每层所述材料层内的电离吸收剂量Idi和位移吸收剂量Ddi；
其中，i表示第i层材料层；
S3.判断所述入射深度是否大于或等于4倍的最大入射阈值距离，以保证辐射损伤的均匀性，若是，执行步骤S5；若否，执行步骤S4；
S4.将所述入射粒子在所述入射粒子库移除，返回执行所述步骤S2；
S5.采用蒙特卡罗方法计算所述入射粒子入射所述待测样品时，单位路径上所损失的能量；
S6.判断损失的能量在每层所述材料层内的不均匀度是否均符合预设范围，所述预设范围为小于等于10％，以保证辐射损伤的均匀性，若是，执行步骤S7；若否，返回执行步骤S4；
S7.根据单位注入的所述入射粒子在每层所述材料层内的电离吸收剂量Idi和位移吸收剂量Ddi，计算Yi＝log(Idi/Ddi)的值，Yi表示入射粒子在第i层材料层中的电离损伤能力值；
S8.判断每一材料层的Yi是否均符合预设条件，所述预设条件为：3≤Yi≤5，若是，则所述入射粒子能同时在所述待测样品产生电离缺陷和位移缺陷；若否，则返回所述步骤S4。
进一步地，所述入射粒子库中包括的入射粒子类型为：电子、质子、重离子、中子、光子和介子。
所述待测样品的类型包括：功能型材料样品，和/或结构型材料样品，和/或器件型材料样品。
功能型材料样品包括绝缘材料层和半导体材料层；
结构型材料样品包括绝缘材料层；
器件型材料样品包括绝缘材料层和半导体材料层。
在本实施例中，不同类型的入射粒子(尤其是不同类型的带电粒子)，在材料和器件的输运过程中，会同时产生电离和位移损伤，分别会在瞬间导致大量的电子—空穴对和间隙原子—空位对。这些电子/空穴对和间隙原子/空位对，在室温条件下不稳定，大部分会发生复合。未发生复合的电子/空穴对和间隙原子/空位对会继续在材料与器件中运动。在此运动过程中，间隙原子、空位会与靶材原子或杂质形成稳定缺陷；电子、空穴也会被俘获，逐渐形成稳定的缺陷。不同材料对上述复合过程影响不同，导体材料主要会影响间隙原子/空位对的复合；半导体材料中间隙原子/空位对的复合除受半导体材料影响外，还会受到电子/空穴对的影响；绝缘体材料中的间隙原子/空位对和电子/空穴对的复合会发生交互作用。因此，为研究稳定的电离缺陷和位移缺陷，主要针对半导体材料和绝缘体材料。为此，需要选择合适能量的入射粒子，并通过Monte Carlo方法计算，保证其在材料内部可以同时产生电离缺陷和位移缺陷。入射粒子在半导体材料中产生稳定电离缺陷和位移缺陷的示意图，如图2所示。
航天器用关键材料和器件主要受到不同能量的质子、电子及重离子等空间综合辐射环境因素的影响。本发明基于Monte Carlo计算方法，分别计算不同能量和类型带电粒子的穿透深度，以及单位注量粒子所产生的电离和位移吸收剂量，通过综合运用射程与单位注量吸收剂量的关系，来实现一种粒子同时产生稳定的电离缺陷和位移缺陷的目的。
为了进一步说明上述方式的合适性，将待测样品选择为NPN晶体管(器件型材料样品)，其绝缘体材料和半导体材料距芯片表面最远的有效距离约为10μm，绝缘层和半导体厚度分别为900nm和9μm。选择1MeV电子和3MeV质子作为入射粒子，基于Monte Carlo方法计算，在NPN器件中的入射深度分别为2mm和100μm，在绝缘层和半导体层中的能量损失不均匀度小于1％。
图3展示了单位注量的1MeV电子和3MeV质子在NPN晶体管中的电离和位移吸收剂量。由图3中的计算结果可知，在绝缘层和半导体层内，1MeV电子和3MeV质子的Yi＝log(Idi/Ddi)分别为4.7和3.9，满足同时产生电离和位移缺陷的要求。为了验证该结论，图4和5分别给出了经1MeV电子和3MeV质子辐照后，稳定缺陷的测试结果。图4和图5中纵坐标DLTS均表示深能级瞬态谱仪信号的强度，由图可见，1MeV电子和3MeV质子均可在NPN晶体管内同时诱导电离缺陷和位移缺陷。
本发明提供的辐照粒子能量选择方法，其应用对象包括各类航天器用关键材料和器件，基于Monte Carlo计算方法，在特定材料状态条件下，计算单位注量入射粒子的电离/位移吸收剂量和射程。根据电离和位移吸收剂量的比例关系，即可确定入射粒子的能量，保证其同时产生稳定的电离和位移缺陷。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (4)
1.一种同时产生电离和位移缺陷的辐照粒子能量选择方法，提供一入射粒子库，所述入射粒子库中存储多种入射粒子；其特征在于：所述辐照粒子能量选择方法包括下述步骤：
S1.识别待测样品的类型，所述待测样品至少包括一层材料层，分析所述待测样品的组分，以获取每层材料层厚度，预设所述待测样品表面最大入射阈值距离；
S2.从所述入射粒子库选择一种入射粒子，采用蒙特卡罗方法计算采用所述入射粒子入射所述待测样品时的入射深度，及单位注入的所述入射粒子在每层所述材料层内的电离吸收剂量Idi和位移吸收剂量Ddi；
其中，i表示第i层材料层；
S3.判断所述入射深度是否大于或等于4倍的最大入射阈值距离，若是，执行步骤S5；若否，执行步骤S4；
S4.将所述入射粒子在所述入射粒子库移除，返回执行所述步骤S2；
S5.采用蒙特卡罗方法计算所述入射粒子入射所述待测样品时，单位路径上所损失的能量；
S6.判断损失的能量在每层所述材料层内的不均匀度是否均符合预设范围，若是，执行步骤S7；若否，返回执行步骤S4；预设范围为小于等于10％；
S7.根据单位注入的所述入射粒子在每层所述材料层内的电离吸收剂量Idi和位移吸收剂量Ddi，计算Yi＝log(Idi/Ddi)的值，Yi表示入射粒子在第i层材料层中的电离损伤能力值；
S8.判断每一材料层的Yi是否均符合预设条件，所述预设条件为：3≤Yi≤5，若是，则所述入射粒子能同时在所述待测样品产生电离缺陷和位移缺陷；若否，则返回所述步骤S4。
2.根据权利要求1所述的同时产生电离和位移缺陷的辐照粒子能量选择方法，其特征在于，所述入射粒子库中包括的入射粒子类型为：电子、质子、重离子、中子、光子和介子。
3.根据权利要求1所述的同时产生电离和位移缺陷的辐照粒子能量选择方法，其特征在于，所述待测样品的类型包括：功能型材料样品，和/或结构型材料样品，和/或器件型材料样品。
4.根据权利要求1所述的同时产生电离和位移缺陷的辐照粒子能量选择方法，其特征在于，所述材料层包括：绝缘材料层；或
所述材料层包括：绝缘材料层和半导体材料层。
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