Geant4模拟中子在碳化硅中产生的位移损伤_郭达禧

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niel的物理意义是辐射粒子在材料中以位移损伤过程与晶格振动过程沉积的能量能定量反映入射粒子在材料中引入积累的位移损伤但niel的计算存在局限性仅考虑反冲原子产生点处的niel不具有任何空间分布信息
７卷第７期第４０１３年７月２
原
子
能
科
学
技
术
Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．７Ｊｕｌ．２０１３
］２１；值［为Ｐ利用ＲＥＤ（Ｅ）ＫＡ的损伤能，ｏｂｉｎｓｏｎ［０］，修正的Ｌ可近似表达为：ｉｎｄｈａｒｄ分离函数２
１程序设计
１．１物理模型中子与物质的相互作用主要有弹性散射及）、（、包括（非弹性散一系列去弹过程（ｎ，ｎ， α ｐ），射、中子俘获反应、核裂变反应）弹性散射过程会使材料的原子被撞出晶格位置，成为初级撞；去弹过程会产生具有较高能量出原子（ＰＫＡ）的反应产物。ＰＫＡ与去弹过程反应产物会通过与原子的核外电子之间的非弹性散射及与原子核的屏蔽库仑散射在材料中慢化，其中屏蔽库仑散射会传递足够高的能量使晶格原子产生离位，导致位移损伤。由于ＰＫＡ与去弹过程以下将二反应产物产生位移损伤的机理一致，者统一为Ｐ模拟中子在材料ＫＡ。由上述可知，中产生位移损伤的过程，必须正确地描述中子输运及其产生的ＰＫＡ的慢化过程。本工作采用高精度中子弹性散射、非弹性散射、俘获、裂变物理模型模拟中子与物质的相、、互作用，分别利用Ｇ４ｈＩｏｎｉｓａｔｉｏｎＧ４ＬＥｌａｓｔｉｃ（，）Ｇ４ＣａｓｃａｄｅＩｎｔｅｒｆａｃｅ模型模拟ｎｐ反应产生的质子的电离、核弹性散射、核非弹性散射过、程，对于质子以外的Ｐ利用ＧＫＡ，４ｉｏｎＩｏｎｉｓａｔｉｏｎＧ４ＢｉｎａｒＬｉｈｔＩｏｎＲｅａｃｔｉｏｎ模型分别描述其电离过ｙｇ程、核相互作用过程，采用屏蔽库仑散射物理过
］１８程［考虑所有ＰＫＡ与靶原子之间的库仑散射。
ＥＤ（Ｅ）＝ ε ｄ＝
Ｅ１＋ｋ ε ｇ（ｄｄ）Ｅ
／２３１／２３２
（）２
（）３Ａ１３０．７２４ＺＺＺ＋Ｚ１＋１２槡Ａ２／／／２３１２３２０．７９３ＺＡ１＋Ａ２）１Ｚ２（（）ｋ４ｄ＝／／／／／２３２３３４２３（）ＺＺＡ１２Ａ１＋１２２／／１６３４（）．４０２４４．４００８５ ε ε ε ＝ε ｇ（ｄ）ｄ＋０ｄ＋３ｄ式中，ＺＺＡ２分别为入射离子与靶原１、２及Ａ１、
。因
此，研究中子在碳化硅中产生的位移损伤，对其在核反应堆结构材料中的应用具有重要意义。数值模拟是研究材料辐照损伤效应的重要手段。粒子在材料中引入位移损伤的能力可通
；收稿日期：修回日期：２０１２０１１３２０１２０５３０－－－－，作者简介：郭达禧（男，广东佛山人，博士研究生，核科学与技术专业１９８６—）
第７期郭达禧等：Ｇｅａｎｔ４模拟中子在碳化硅中产生的位移损伤
１２２３
速评估中子场在大尺度空间的位移损伤剂量的空间分布
［］８１５－
１．２几何结构本文模拟１２０ＭｅＶ中子在碳化硅中产生～的位移损伤及１４．１ＭｅＶ中子在碳化硅平板中产生位移缺陷的分布。由于上述能量中子的平在实际应用中聚变堆第一均自由程在ｃｍ量级，壁碳化硅材料的厚度也为ｍｍ～ｃ为达ｍ量级，到较高的计算效率及更符合实际应用，本研究采］用文献［中先进磁约束聚变堆Ａ１９ＰＥＸ的第一壁厚度４ｃｍ作为碳化硅靶的厚度。
：ＡｂｓｔｒａｃｔｈｅｔｒａｎｓｏｒｔｏｆｎｅｕｔｒｏｎｉｎＳｉＣｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅＧｅａｎｔ４．ＴｈｅｎｕｍｂｅｒＴｐｏｆｄｉｓｌａｃｅｍｅｎｔｄａｍａｅｉｎｄｕｃｅｄｂｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｎｅｒｎｅｕｔｒｏｎｓｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｎｄｔｈｅｐｇｙｇｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄｉｓｌａｃｅｍｅｎｔｄａｍａｅｏｆ１４．１ＭｅＶｎｅｕｔｒｏｎｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｐｇ，ｉｍａｃｔｔｈｅｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｄｉｓｌａｃｅｍｅｎｔｄａｍａｅｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｔｈａｔｐｐｐｇｅｌａｓｔｉｃｓｃａｔｔｅｒｉｎａｎｄｎｏｎｅｌａｓｔｉｃｔｏｄｅｆｅｃｔｗｅｒｅａｎａｌｚｅｄ．Ｔｈｅｒｏｃｅｓｓｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆ－ｇｙｐｐ，ｄａｍａｅｉｎｄｕｃｅｄｂｎｅｕｔｒｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｏｆｅａｃｈｓｔａｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄａｎｄｔｈｅｒｏｆｉｌｅｙｇｇｐｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｎｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｏｔａｌｄａｍａｅｗｅｒｅｆｕｒｔｈｅｒｉｎｖｅｓｔｉａｔｅｄ．ｇｇ：ｎ；；ＫｅｗｏｒｄｓｅｕｔｒｏｎＳｉＣ；ｄｉｓｌａｃｅｍｅｎｔｄａｍａｅＧｅａｎｔ４ｐｇｙ抗腐蚀、较低的中子吸碳化硅具有耐高温、收截面及在中子辐照环境下性能较稳定等优点，在聚变堆及高温气冷堆中有重要应用。然而，反应堆中高通量中子辐照会在碳化硅中引入位移缺陷与反应产物，使碳化硅的性能退化
（ ’ ’ ＳｃｈｏｏｌｏＮｕｃｌｅａｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏＸｉａｎＪｉａｏｔｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔＸｉａｎ７１００４９，Ｃｈｉｎａ）ｆｇｙ，ｇｙ，
ＡｔｏｍｉｃＥｎｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｇｙ
Ｇｅａｎｔ４模拟中子在碳化硅中产生的位移损伤
郭达禧，贺朝会，臧航，席建琦，马梨，杨涛，张鹏
（）西安交通大学核科学与技术学院，陕西西安７１００４９
２位移损伤计算
ＰＫＡ产生的离位原子数Ｎｄ可通过ＮＲＴ［２０］：模型计算得出０Ｅ＜Ｅｄ烄（）ＮｄＥ＝烅１Ｅｄ ≤ Ｅ＜２．５Ｅｄ（）１
／０．４ＥＤ（Ｅ）ＥｄＥ ≥ ２．５Ｅｄ烆：；，式中Ｅ为ＰＫＡ能量Ｅｄ为离位阈值对碳化硅，计算时以进行ＮＲＴ２５ｅＶ作为平均离位阈
［］１２－］３７－。Ｎ过非电离能量损失（表征［ＮＩＥＬ）ＩＥＬ的物
理意义是辐射粒子在材料中以位移损伤过程与晶格振动过程沉积的能量，能定量反映入射粒子但Ｎ在材料中引入积累的位移损伤，ＩＥＬ的计算存在局限性，仅考虑反冲原子产生点处的ＮＩＥＬ，不具有任何空间分布信息。在中子能谱、通量信息及离位截面已知的情况下，可通过计算每个点阵原子平均被击而发生）离位的次数（表征材料辐照损伤程度，能快ｄａｐ
摘要：利用Ｇ计算了不同能量中子产生的位移缺陷数目，获得ｅａｎｔ４模拟了中子在碳化硅中的输运过程，分析了弹性散射了１４．１ＭｅＶ中子产生的位移缺陷分布。研究了中子产生位移损伤过程的影响要素，与去弹过程对位移损伤产生过程的贡献，并对中子各阶段反应产生的位移缺陷分布及对总体缺陷分布的影响进行了探讨。关键词：中子；碳化硅；位移损伤；Ｇｅａｎｔ４（）中图分类号：ＴＬ３４１文献标志码：Ａ文章编号：１０００６９３１２０１３０７１２２２０７－－－：／ｄｏｉ１０．７５３８ｚｋ．２０１３．４７．０７．１２２２ｙ
Ｇｅａｎｔ４ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＮｅｕｔｒｏｎＤｉｓｌａｃｅｍｅｎｔＤａｍａｅｉｎＳｉＣｐｇ
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（
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子的原子序数及质量数。
，然而该方法并未具体考虑中子与被广泛应用于模拟重离子辐照材
不能得到位移缺陷的详细分布。靶的相互作用，ＴＲＩＭ布
［］１７［］１６
ห้องสมุดไป่ตู้
料产生的位移损伤，可得到位移损伤的空间分。但Ｔ且ＴＲＩＭ不能直接模拟中子，ＲＩＭ只能设定简单分层结构的靶，不能模拟具有复杂几何结构的器件。Ｇｅａｎｔ４能模拟多种粒子在具有复杂几何结构、材料构成的探测器中的输运过程，同时，用户可对入射粒子及其产生的所有次级粒子进行跟踪，并对粒子输运的各个阶段进行控制与输出，且能通过增加自定义模块与函数而增加额外的功能，如位移损伤效应的计算。本工作利用Ｇｅａｎｔ４对各级中子及其反应产物进行跟踪，模拟计算中子在碳化硅中产生的位移损伤及空间分布。