空間粒子導致材料的非電離能損研究.pdf

1、本文主要討論空間輻射導致的飛行器中器件的輻射損傷。輻射與材料相互作用時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 導致的器件的輻射損傷，通過對NIEL 的研

2、究可以估計空間輻射環(huán)境中器件的損傷程度，大大簡化地面實驗；建立了NIEL標尺(NIEL Scaling)概念，從而可以利用地面實驗來模擬空間復雜粒子能譜對半導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分別計算了電子和質子在半導

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時和靶核發(fā)生庫侖相互作用，能使靶原子發(fā)生電離和激發(fā)，其中激發(fā)屬于 NIEL；當初始粒子能量降低到不足以產生電離和激發(fā)時，可以使靶核在晶格位置產生振蕩，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產生的反沖核動能屬于NIEL。低能質子導致的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太陽能電池為例，以六種典型空間軌道的質子能譜為入射譜，用蒙特卡羅方法模擬計算了質子在GaAs太陽能電池中產生的NIEL。結果發(fā)現(xiàn)在500km的軌道上，GaAs太陽能電池中的NIEL最大；在13892km高的軌道上，GaAs太陽能電池接受的位移損傷劑量最大。同時擬合出太陽能電池的最大輸出功率與位移損傷劑量之間的關系式，并推知六種典型軌道上GaAs太陽能電池在五年后的功率衰降率。以上結果可為航天