【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电子器件辐射效应领域，具体涉及一种基于蒙特卡罗模拟计算质子或其他粒子的核反应在半导体材料中引发的非电离能损的方法。
技术介绍
1、空间辐射粒子进入航天器舱内与半导体器件内部晶格原子碰撞，会使其移位、产生晶格缺陷，导致器件性能逐渐退化甚至失效，即产生位移损伤效应。这对在轨航天器的安全可靠运行造成重要威胁。半导体器件在辐照环境中的位移损伤主要依赖于灵敏体积内沉积的位移能量损失值。非电离能损(non-ionizing energy loss,niel)是描述粒子穿过单位长度材料的过程中，与晶格原子发生库仑散射和核反应过程，造成晶格原子位移而损失能量的物理量。大量实验研究表明，对于多数半导体器件，当入射粒子的类型不同时，位移损伤引起的半导体器件的性能变化和niel均呈线性关系。通过计算不同能量的特定粒子在器件材料中的niel，可以评价不同粒子辐照下器件的性能变化情况。
2、质子是空间辐射环境中的主要成分，也是造成半导体器件在空间中发生位移损伤效应的主要因素。因此，质子在硅、锗、镓等半导体材料中的niel是辐射效应领域比较关心的物理量。通常情况下，质子库仑散射引起的niel会用解析公式来计算，而核反应引起的niel则用蒙特卡罗模拟方法来计算。在使用mcnp、geant4等蒙特卡罗程序模拟质子与半导体材料相互作用时，对于半导体材料一般采用薄靶近似，即相对于不同能量的入射质子，半导体材料几何(长方体)厚度为质子射程的1/20–1/10，长和宽为几何厚度的10倍。其中，为保证质子在穿越靶材料的过程中能量衰减得尽可能少，
3、薄靶近似方法仍然会使得质子能量在靶中发生一定衰减，会对所计算的单能质子的niel的精确性有一定影响，同时对于在核反应截面较小的质子，这种厚度设置仍不足以模拟足够的核反应事件，模拟效率较低。
技术实现思路
1、本专利技术针对现有的基于蒙特卡罗程序以薄靶近似方法计算核反应在半导体材料中引发的非电离能损所存在的精确度不够高、模拟效率不够高的问题，提供一种改进的蒙特卡罗模拟方法，计算核反应在半导体材料中引发的非电离能损，从而高效地进行核反应事件模拟并获得更精确的非电离能损。
2、为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
3、一种核反应在半导体材料中引发的非电离能损的计算方法，该方法在采用蒙特卡罗程序模拟辐射粒子与半导体材料的核反应时，通过设置核反应截面的偏倚倍数b，使核反应截面增大为实际的b倍，保证在极薄的半导体材料靶中获得足够的核反应事件数，提高模拟效率，使计算得到的非电离能损更为精确。
4、所述辐射粒子与半导体材料的核反应，包括：质子、中子、α粒子或重离子与半导体材料的核反应。
5、进一步，如上所述的核反应在半导体材料中引发的非电离能损的计算方法，以计算质子在半导体材料中核反应引发的非电离能损为例，具体包括如下步骤：
6、(1)在蒙特卡罗程序中根据入射质子能量e设置半导体材料的几何厚度h，保证质子在其中的能量损失相对于e极小；
7、(2)设置核反应截面的偏倚倍数b，使核反应截面增大为实际的b倍；
8、(3)通过蒙特卡罗程序对质子与半导体材料的核反应事件进行模拟，首轮模拟将入射质子数n设置为一个可在短时间内完成模拟的数目，观察发生核反应的质子数目nr，根据发生核反应的质子的比例来调整核反应截面偏倚倍数b，使得大部分入射质子都可以在靶中发生核反应；
9、(4)对核反应截面的偏倚倍数b进行调整后，将入射质子数n设置为一个较大的数，保证模拟出的核反应事件数目足以使得统计出的质子非电离能损较为精确，对质子与半导体材料的核反应进行蒙特卡罗模拟，记录下在靶内产生的每一个核反应产物的原子序数zi、质量数ai和能量ei，下标i代表第i个核反应产物；
10、(5)通过下式计算质子核反应在半导体材料中引发的非电离能损，
11、
12、其中，niel为非电离能损，ρ为半导体材料的密度，qi为在半导体材料中核反应产物能量ei中用于非电离能损的百分比。
13、进一步，作为具体的实施方式，步骤(1)中，几何厚度h可设置为能量为e的质子在半导体材料中射程的千分之一以下；半导体材料靶的长和宽可设置为厚度的10倍。
14、具体来说，几何厚度h可设置为小于等于1μm。
15、进一步，作为具体的实施方式，步骤(2)中，偏倚倍数b的设置应满足如下条件：偏倚只施加到核相互作用上，对其它相互作用不施加偏倚；偏倚只施加到入射质子上，对质子与半导体材料核反应产生的次级粒子不施加偏倚；偏倚只施加到入射质子的第一次核反应上，对于入射质子经弹性散射后不施加偏倚。
16、进一步，作为具体的实施方式，步骤(3)中，在调整核反应截面偏倚倍数b时，应保证不是全部入射质子都发生核反应。
17、具体来说，偏倚倍数b可设置为大于等于105。
18、进一步，作为具体的实施方式，步骤(4)中，入射质子数n可设置为大于等于106。
19、进一步，作为具体的实施方式，步骤(5)中，qi可由lindhard分离函数或经修正的lindhard分离函数进行计算。
20、本专利技术的有益效果如下：本专利技术巧妙地采用核反应截面偏倚方法来对质子与半导体材料的核反应事件进行蒙特卡罗模拟，靶可以设置得极薄，通过设置较大的偏倚倍数来保证获得足够的核反应事件数目，有效地提高了模拟效率，可在较短模拟时间内获得足够的核反应事件数目，同时薄靶的设置使得获得的质子的非电离能损更为精确，这样就可以更为高效地获得更为精确的质子在半导体材料中发生核反应引发的非电离能损。该方法不仅可以用于质子在半导体材料中通过核反应引发的非电离能损的模拟计算，对于中子、α粒子和重离子等在半导体材料中通过核反应引发的非电离能损的模拟计算也是适用的。
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1.一种核反应在半导体材料中引发的非电离能损的计算方法，其特征在于：该方法在采用蒙特卡罗程序模拟辐射粒子与半导体材料的核反应时，通过设置核反应截面的偏倚倍数b，使核反应截面增大为实际的b倍，保证在极薄的半导体材料靶中获得足够的核反应事件数，提高模拟效率，使计算得到的非电离能损更为精确。
2.如权利要求1所述的核反应在半导体材料中引发的非电离能损的计算方法，其特征在于，所述辐射粒子与半导体材料的核反应，包括：质子、中子、α粒子或重离子与半导体材料的核反应。
3.如权利要求1所述的核反应在半导体材料中引发的非电离能损的计算方法，其特征在于，计算质子在半导体材料中核反应引发的非电离能损，包括如下步骤：
4.如权利要求3所述的核反应在半导体材料中引发的非电离能损的计算方法，其特征在于，步骤(1)中，几何厚度h可设置为能量为E的质子在半导体材料中射程的千分之一以下。
5.如权利要求3所述的核反应在半导体材料中引发的非电离能损的计算方法，其特征在于，步骤(2)中，偏倚倍数b的设置应满足如下条件：偏倚只施加到核相互作用上，对其它相互作用不施加偏倚
6.如权利要求3所述的核反应在半导体材料中引发的非电离能损的计算方法，其特征在于，步骤(3)中，在调整核反应截面偏倚倍数b时，应保证不是全部入射质子都发生核反应。
7.如权利要求6所述的核反应在半导体材料中引发的非电离能损的计算方法，其特征在于，偏倚倍数b可以设置为大于等于105。
8.如权利要求3所述的核反应在半导体材料中引发的非电离能损的计算方法，其特征在于，步骤(4)中，入射质子数N可以设置为大于等于106。
9.如权利要求3所述的核反应在半导体材料中引发的非电离能损的计算方法，其特征在于，步骤(5)中，Qi可由Lindhard分离函数或经修正的Lindhard分离函数进行计算。
...【技术特征摘要】
1.一种核反应在半导体材料中引发的非电离能损的计算方法，其特征在于：该方法在采用蒙特卡罗程序模拟辐射粒子与半导体材料的核反应时，通过设置核反应截面的偏倚倍数b，使核反应截面增大为实际的b倍，保证在极薄的半导体材料靶中获得足够的核反应事件数，提高模拟效率，使计算得到的非电离能损更为精确。
2.如权利要求1所述的核反应在半导体材料中引发的非电离能损的计算方法，其特征在于，所述辐射粒子与半导体材料的核反应，包括：质子、中子、α粒子或重离子与半导体材料的核反应。
3.如权利要求1所述的核反应在半导体材料中引发的非电离能损的计算方法，其特征在于，计算质子在半导体材料中核反应引发的非电离能损，包括如下步骤：
4.如权利要求3所述的核反应在半导体材料中引发的非电离能损的计算方法，其特征在于，步骤(1)中，几何厚度h可设置为能量为e的质子在半导体材料中射程的千分之一以下。
5.如权利要求3所述的核反应在半导体材料中引发的非电离能损的计算方法，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：韩金华，郭刚，殷倩，刘翠翠，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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