空间粒子导致材料的非电离能损研究

摘要

本文主要讨论空间辐射导致的飞行器中器件的辐射损伤。辐射与材料相互作用时通过电离和非电离两种方式损失能量，由非电离引起的总能量损失(本文中用斜体表示，非电离能损,Non-Ionizing Energy，Loss，NIEL)中的一部分能量可导致核反冲，引起位移损伤(本文中把这部分能量损失用正体的非电离能损，Non-Ionizing Energy Loss，NIEL 来表示)。本文主要探讨了NIEL 导致的器件的辐射损伤，通过对NIEL 的研究可以估计空间辐射环境中器件的损伤程度，大大简化地面实验；建立了NIEL标尺(NIEL Scaling)概念，从而可以利用地面实验来模拟空间复杂粒子能谱对半导体器件及光电器件的辐射损伤。 介绍了SHIELD和Geant4 程序的概况和二次开发情况。开发后的程序能够很好的模拟空间任意轨道辐射环境中半导体材料和器件的NIEL。 利用两体碰撞近似模型的解析公式以及蒙特卡罗程序SHIELD和Geant4分别计算了电子和质子在半导体材料Si和GaAs材料中的NIEL。蒙特卡罗程序所考虑的 NIEL来源有：初始粒子在材料中输运时和靶核发生库仑相互作用，能使靶原子发生电离和激发，其中激发属于 NIEL；当初始粒子能量降低到不足以产生电离和激发时，可以使靶核在晶格位置产生振荡，其能量以声子的形式损失，其中声子能量属于NIEL；初始粒子与原子核的弹性碰撞和核反应产生的反冲核动能属于NIEL。低能质子导致的Si材料中的NIEL比在GaAs中的高，随着能量的增加，Si和GaAs中的NIEL都在降低。 以GaAs太阳能电池为例，以六种典型空间轨道的质子能谱为入射谱，用蒙特卡罗方法模拟计算了质子在GaAs太阳能电池中产生的NIEL。结果发现在500km的轨道上，GaAs太阳能电池中的NIEL最大；在13892km高的轨道上，GaAs太阳能电池接受的位移损伤剂量最大。同时拟合出太阳能电池的最大输出功率与位移损伤剂量之间的关系式，并推知六种典型轨道上GaAs太阳能电池在五年后的功率衰降率。以上结果可为航天太阳能电池的设计提供参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题来源

1.2国内外概况

1.2.1 NIEL概念的引入及其定义

1.2.2 NIEL的研究手段

1.2.3国内研究概况

1.3本课题研究的目的和意义

1.4论文的主要研究内容

第二章NIEL标尺及应用

2.1 NIEL标尺

2.2 NIEL的应用

2.3本章小结

第三章蒙特卡罗计算方法及程序

3.1蒙特卡罗方法(Monte-Carlo方法)

3.2 SHIELD程序

3.2.1 SHIELD程序简介

3.2.2 SHIELD程序的框图

3.2.3 SHIELD程序存在的缺陷

3.2.4 SHIELD程序的开发

3.3 Geant4程序

3.3.1 Geant4程序的简介

3.3.2 Geant4程序中几何和材料的定义

3.3.3 Geant4程序的开发

3.4本章小结

第四章NIEL的计算

4.1 NIEL的计算公式

4.2 NIEL的解析计算

4.3 NIEL的蒙特卡罗计算

4.4本章小结

第五章空间粒子的NIEL对太阳能电池的影响

5.1空间轨道环境

5.2太阳能电池的光电转换原理

5.3太阳能电池的光电转换效率

5.4实验模拟条件及结果

5.5蒙卡模拟条件及结果

5.6本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

作者在攻读硕士学位期间所作的项目

致谢