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核科学与技术|氧化镓中子辐照损伤模拟研究

汉斯出版社

2024-11-21

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导读：

氧化镓(Ga2O3)材料作为代表性的超宽禁带半导体材料之一，具有宽带隙、高击穿电场等优异的物理性能，在深空探测的器件中具有广阔的应用前景。为了研究和揭示深空环境下Ga2O3材料的辐射损伤对探测器性能的影响，本文利用Geant4模拟研究了不同能量中子辐照Ga2O3材料产生的辐射损伤效应，包括位移损伤和电离损伤。结果表明：Ga2O3中中子产生的反冲原子能量主要在低能区，全部发生小角度散射；对于中子辐照产生的二次粒子，发生非弹性散射和裂变反应时能量损失大，中子有显著的核反应；中子在Ga2O3材料中输运时，还会产生一定数量的次级质子、伽马粒子、中子及alpha粒子，都会对Ga2O3材料造成电离损伤和位移损伤。模拟结果为中子辐照环境下Ga2O3材料的实验研究提供理论指导，对Ga2O3材料应用于深空探测具有参考价值。

基本信息：

氧化镓中子辐照损伤模拟研究

Simulation Study of Neutron Irradiation Damage in Gallium Oxide

作者：

罗智, 刘洋*：华北电力大学核科学与工程学院，北京

关键词:

氧化镓；中子辐照；辐照损伤；Geant4

项目基金：

国家重点研发项目(2022YFB1902700)

国家教育部装备预研联合基金(8091B042203)

国家自然科学基金(11875129)

国家强脉冲辐射模拟与效应重点实验室基金(SKLIPR1810)

辐射应用创新中心基金(KFZC2020020402)

北京大学核物理与技术国家重点实验室基金(NPT2023KFY06)

中国铀业有限责任公司与华东理工大学核资源与环境国家重点实验室联合创新基金(2022NRE-LH-02)

中央高校基础研究基金(2023JG001)

原文链接：

https://doi.org/10.12677/nst.2024.123026

内容简介：

在汉斯出版社《核科学与技术》期刊上，有论文采用基于蒙特卡洛方法的Geant4模拟软件，研究不同能量的中子对Ga2O3产生的辐射损伤，为探究如何提升Ga2O3材料的抗辐照性能奠定理论基础。

Geant4是一个用于模拟粒子或辐射穿过物质的工具包。基于Geant4开发的应用程序可以模拟任何装置或探测器和辐射源，并记录源粒子和二次粒子与装置材料相互作用时所选择的物理量输出，广泛的应用在核技术领域。

本文模拟了微米尺度下的Ga2O3材料的辐照损伤情况，粒子源是采用的连续中子能谱，能量分布从10 eV~20 MeV，Ga2O3材料厚度是500 μm× 500 μm × 500 μm，本次Geant4建模几何结构如图1所示。

中子在Ga2O3中的输运过程中会与Ga、O原子发生弹性碰撞，导致Ga原子与O原子发生离位，形成了空穴。本文模拟了5 × 106个不同能量的中子辐照Ga2O3，产生数万个PKA。如图2所示是Ga原子和O原子PKA能谱分布图。

通过进一步提取离位原子的散射角分布，能够得到中子与晶格原子左右产生离位原子的散射角大小与分布情况，如图3所示是Ga原子PKA和O原子PKA的散射角分布图。

为了分析离位原子散射角不连续分布的原因，本文分别模拟计算了能量为0.2 MeV、0.5 MeV、5 MeV、10 MeV的中子入射产生的离位原子的散射角分布情况。由图4可知，当入射中子能力较低时，其在Ga2O3材料中主要是发生弹性散射，散射角连续分布，而随着入射中子能量的增加，弹性散射逐渐减弱，非弹性散射作用逐渐加强，导致散射角的分布不再是连续分布。

结论

1) 中子在Ga2O3材料中输运产生Ga、O原子PKA的过程主要是弹性散射造成，散射过程中以低能传输事件为主，PKA数量峰值在20 keV左右，随着能量的增大PKA数量不断减小；对于微米量级的Ga2O3模型，产生的Ga、O原子的PKA反冲角分布在0~π/2之间，全部发生小角度散射。

2) 中子在Ga2O3材料中非弹性散射造成的能量损失大于弹性散射，并且裂变反应也造成了较大的中子能量损失，此外还发生了较为显著的核反应。

3) 中子在Ga2O3材料中输运时除了产生Ga、O原子的PKA之外，还会产生一定数量的次级质子、伽马粒子、中子及alpha粒子。所有这些粒子都会在后续的输运过程中造成电离损伤和位移损伤。

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-Nuclear Science and Technology-

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