基于层状结构计算吸收剂量深度分布谱的方法

1.本发明涉及航天器空间环境分析技术领域，特别涉及一种基于层状结构计算吸收剂量深度分布谱的方法。


背景技术：

2.航天器在空间轨道运行期间，将会受到来自银河宇宙线、地球辐射带等多种空间环境因素的影响。上述环境因素对航天器的影响，主要来源于电子、质子、重离子及伽马射线等空间带电粒子的辐射影响。随着电子技术的飞速发展，电子元器件被广泛的应用在宇宙飞船及航天飞机等航天器上，用以完成多种空间任务。对于电子元器件，空间带电粒子的辐射会导致其产生严重的辐照损伤从而引起功能退化，最终导致航天器在轨任务失败。因此，研究空间高能带电粒子辐射环境对电子元器件的影响就显得尤为重要。
3.目前，评估半导体器件等电子元器件辐照损伤的方法有多种，电离吸收剂量深度分布谱是其中一种典型的评价方法，该方法可以将模拟数据与实验数据进行等效，从而解释实验中的一些现象。对于电子元器件等与电学有关材料的辐照试验，电离吸收剂量深度分布谱更为重要。但是，辐照试验存在较多问题。首先是时间问题，对于大剂量的辐照试验，仅仅辐照过程就需花费两三周甚至更长时间，极大的浪费了科研人员的宝贵时间；其次是成本问题，空间辐照实验每进行一次就需耗费巨资，使得研究者无法负担高昂的费用。因此，模拟计算对于辐照实验显得尤为重要。相关技术中，进行辐射损伤评估的软件都是基于简单屏蔽模型，如将电子元器件周围的屏蔽等效为均匀的球壳、简单平板等，这样并不能实际表征电子元器件周围的实际屏蔽，依据简单屏蔽模型进行计算会产生较大的误差，且计算复杂、耗时长。


技术实现要素：

4.针对以上现有技术中的问题，本发明提供了一种基于层状结构计算吸收剂量深度分布谱的方法。
5.为实现上述目的，本发明具体通过以下技术实现：
6.本发明提供了一种基于层状结构计算吸收剂量深度分布谱的方法，包括以下步骤：
7.s1、测量试件的几何结构参数，几何结构参数包括总厚度h；
8.s2、根据所述总厚度h，利用插值方法将试件划分为n层，计算深度分布，所述n为大于1的整数；
9.s3、计算步骤s2中每层吸收剂量；
10.s4、依据步骤s2中计算得到的所述深度分布数值和步骤s3中计算得到的每层所述吸收剂量数值，构建吸收剂量深度分布谱。
11.进一步地，步骤s2中，所述插值方法为线性分布方法或指数分布方法；若采用所述线性分布方法将所述试件划分为所述n层，则第m层深度为所述m为大于或等于1且小
于或等于n的整数；
12.若采用所述指数分布方法将所述试件划分为所述n层，则第m层深度为所述m为大于或等于1且小于或等于n的整数。
13.进一步地，步骤s2中，将所述试件划分为所述n层的操作方法为：首先将所述试件简化为多层平板结构，之后利用插值方法将简化的所述多层平板结构划分为所述n层。
14.进一步地，步骤s2中，将所述试件划分为所述n层的操作方法为：首先将所述试件简化为2层平板结构，之后采用所述线性分布方法将所述试件划分为40层或采用所述指数分布方法将所述试件划分为20层。
15.进一步地，步骤s3中，所述吸收剂量计算方法为：基于蒙特卡罗方法，通过积分计算每层所述吸收剂量。
16.进一步地，步骤s1中，所述总厚度h为20cm。
17.进一步地，步骤s1中，所述试件为半导体材料试件或防护材料试件。
18.进一步地，步骤s1中，所述几何结构参数还包括材料层或球壳的厚度分布以及成分分布。
19.进一步地，步骤s1中，所述吸收剂量包括电离吸收剂量和位移吸收剂量。
20.本发明利用多层屏蔽分析思想，将半导体材料试件或防护材料试件简化成平行平板，再利用插值方法，将简化的平板结构细致分层，之后计算各层平行平板的吸收剂量，从而获得吸收剂量随深度分布谱。该方法通过简化结构提高计算效率，并且通过插值的方式可以在简单描述平板结构厚度后，根据需求再细致分层，是一种获取吸收剂量深度分析谱的新方法。本发明方法步骤简单、易于操作，不仅能够大幅度降低试验成本，还可以大幅度提高模拟效率，对辐射防护以及器件空间环境模拟试验和研究具有重大的意义。在空间环境效应研究与抗辐照加固技术应用中有着明显的实际意义。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明实施例的几何结构；
23.图2为本发明实施例以线性分布方法分层的几何结构示意图；
24.图3为本发明实施例以指数分布方法分层的几何结构示意图；
25.图4为本发明实施例以线性分布方法分层的几何结构的分层示意图；
26.图5为本发明实施例1的al试件经过5mev电子辐照后电离吸收剂量随深度分布图；其中，a图以线性分布方法分层，b图以指数分布方法分层；
27.图6为本发明实施例1的si试件经过5mev电子辐照后电离吸收剂量随深度分布图；其中，a图以线性分布方法分层，b图以指数分布方法分层；
28.图7为本发明实施例1的al/si试件经过5mev电子辐照后电离吸收剂量随深度分布图；其中，a图以线性分布方法分层，b图以指数分布方法分层。
29.图8为本发明实施例2的al试件经过5mev电子辐照后位移吸收剂量随深度分布图；
其中，a图以线性分布方法分层，b图以指数分布方法分层；
30.图9为本发明实施例2的si试件经过5mev电子辐照后位移吸收剂量随深度分布图；其中，a图以线性分布方法分层，b图以指数分布方法分层；
31.图10为本发明实施例2的al/si试件经过5mev电子辐照后位移吸收剂量随深度分布图；其中，a图以线性分布方法分层，b图以指数分布方法分层。
具体实施方式
32.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，术语“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。
33.早期发射的航天器曾多次因辐照损伤而失效，从而造成巨大损失。随着科学技术的发展，虽然卫星等航天器产生致命故障的事例越来越少，但仍时有发生。不同类型的空间带电粒子同时作用于航天器用关键材料和电子元器件，会导致空间综合环境效应，如电离/位移协同效应，进而引起卫星性能衰退和功能故障。因此，如果能够通过模拟计算的方式，快速获得辐照实验中试件的电离吸收剂量深度分布谱，对于实现空间综合环境对材料作用基本理论和评价方法，揭示空间综合环境下材料性能退化的基本规律与各种空间环境综合效应的物理本质，具有重要的工程价值和科学意义。
34.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
35.本发明实施例提供了一种基于层状结构计算吸收剂量深度分布谱的方法，包括以下步骤：
36.s1、测量试件的几何结构参数，几何结构参数包括总厚度h；
37.本发明方法不仅可以应用于评价半导体材料等电子元器件的辐照损伤，也可以应用于评价航天器的防护材料(如金属铝al)的防护性能。因此，步骤s1中的试件为半导体材料试件、防护材料试件中的任意一种。
38.上述所述的几何结构参数还包括材料层或球壳的厚度分布以及成分分布，以便进行仿真建模。吸收剂量包括电离吸收剂量和位移吸收剂量。
39.s2、根据试件的总厚度h，利用插值方法将试件划分为n层，计算深度分布，所述n为大于1的整数；
40.插值方法为线性分布方法或指数分布方法；
41.若采用线性分布方法将试件划分为n层，则第m层累计厚度即第m层深度为m为大于或等于1且小于或等于n的整数；
42.若采用指数分布方法将试件划分为n层，则第m层累计厚度即第m层深度为m为大于或等于1且小于或等于n的整数。
43.s3、计算步骤s2中每层吸收剂量；
44.优选地，吸收剂量计算方法为：基于蒙特卡罗(monte carlo)方法，通过积分计算每层电离吸收剂量或位移吸收剂量。积分方法主要是基于粒子的阻止本领de/dx，即单位路径上的阻止本领，通过对一定长度上的阻止本领积分即可获取粒子在该路径上损失的能
量，继而计算得到电离吸收剂量或位移吸收剂量。
45.s4、依据步骤s2中计算得到的深度分布数值和步骤s3中计算得到的每层吸收剂量数值，构建辐照实验的吸收剂量深度分布谱。
46.具体而言，以步骤s2中计算得到的深度分布的数值作为横坐标，以步骤s3中计算得到的每层电离吸收剂量或位移吸收剂量的数值作为纵坐标，绘制吸收剂量深度分布曲线，即为辐照实验的吸收剂量深度分布谱。
47.本发明利用多层屏蔽分析思想，将半导体材料简化成平行平板，再利用插值方法，将简化的平板结构细致分层，之后基于蒙特卡罗(monte carlo)方法，利用例如蒙特卡洛模拟工具geant4，计算各层平行平板的吸收剂量，从而获得吸收剂量随深度分布谱。该方法通过简化结构提高计算效率，并且通过插值的方式可以在简单描述平板结构厚度后，根据需求再细致分层，是一种获取吸收剂量深度分析谱的新方法。本发明方法步骤简单、易于操作，不仅能够大幅度降低试验成本，还可以大幅度提高模拟效率，对辐射防护以及器件空间环境模拟试验和研究具有重大的意义。在空间环境效应研究与抗辐照加固技术应用中有着明显的实际意义。
48.优选地，为了便于结构划分和操作，步骤s2中，将试件划分为n层的操作方法为：首先将试件简化为多层平板结构，之后利用插值方法将简化的多层平板结构细致划分为n层。该方法相比于在建模时直接划分为n层的方式，直接划分为n层需要一层一层添加，操作费时费力，本发明的方法可以在建模时将试件先分成少数几层，再通过插值方法，将其从少数几层快速划分为更多层数(n层)，以大大提高计算效率，有利于在保持较高的计算精度条件下，快速评估半导体器件等复杂结构的吸收剂量，对于保障航天器在轨安全运行具有重要的意义。
49.示例性地，参见图1，其示出了层状的几何结构及粒子辐照轨迹图，建模时用户通过设置将真实的半导体器件的几何结构简化成双层平行平板，根据线性分布(如图2所示)或指数分布(如图3所示)规律，将手动建模的平板再细分成40层或20层，图4中以线性分布方法分成8层为例示出了半导体器件的分层示意图。通过线性分布方法或指数分布方法等不同的插值方法生成更为精细的几何结构模型。
50.本发明通过电离吸收剂量深度分布谱曲线不仅可以探究不同能量以及不同类型的粒子辐照半导体器件内部电离吸收剂量的分布情况，而且也可以通过该曲线，经过简单的数学计算，将其转化成线性能量转移(ionization energy loss，简称let)曲线。
51.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照制造厂商所建议的条件。
52.实施例1计算电离吸收剂量深度分布谱
53.一种基于层状结构计算电离吸收剂量深度分布谱的方法，包括以下步骤：
54.s1、测量试件的几何结构参数，几何结构参数包括材料层或球壳的厚度分布、成分分布以及总厚度h，本实施例中总厚度h为20cm；
55.s2、首先将试件简化为2层平板结构，之后采用线性分布方法将试件划分为n层(本实施例中为40层)，按照计算第m层深度，或采用指数分布方法将试件划分为n层(本实
施例中为20层)，按计算第m层深度；
56.s3、基于蒙特卡罗(monte carlo)方法，利用蒙特卡洛模拟工具geant4，通过积分计算步骤s2中每层电离吸收剂量；
57.s4、以步骤s2中计算得到的深度分布的数值作为横坐标，以步骤s3中计算得到的每层电离吸收剂量的数值作为纵坐标，构建辐照实验的电离吸收剂量深度分布谱。
58.采用5mev电子辐照厚度为20cm的al试件，所得试验结果如图5所示。由图5中a图可知，经5mev电子辐照后，随着深度的增大，al的电离吸收剂量逐渐降低，同时吸收曲线在0-5cm和10-20cm范围内较为平缓，在5-10cm范围内变化较为陡峭，说明前10cm吸收了大部分电子能量。然而，线性分布划分方式(图5中a图所示)的几何结构和指数分布划分方式(图5中b图所示)的几何结构的结果不同，这是指数分布几何结构每层厚度递增导致的，分层厚度会影响吸收剂量。通过指数分布，可以更加细致地观察粒子入射时初始部分的能量沉积分布情况。
59.采用5mev电子辐照厚度为20cm的si试件，所得试验结果如图6所示。由图6中a图可知，经5mev电子辐照后，随着深度的增大，si的电离吸收剂量逐渐降低，同时吸收曲线在0-5cm和12.5-20cm范围内较为平缓，在5-12.5cm范围内较为陡峭，说明前12.5cm吸收了大部分电子能量。与照射金属al类似，在使用指数分布的结构划分时(图7中b图所示)，也出现了与线性插值不同的结果。
60.采用5mev的电子辐照层状al/si(5mm铝、15mm硅)试件，所得试验结果如图7所示。由图7中a图所示，经5mev电子辐照后，随着深度的增大，层状材料的电离吸收剂量逐渐降低，同时吸收曲线在0-5cm和11-20cm范围内较为平缓，在5-11cm范围内较为陡峭，说明前11cm吸收了大部分电子能量。与照射金属al类似，在使用指数分布的结构划分时(图7中b图所示)，也出现了与现象插值不同的结果。
61.对比上述三种试件，al的电离防护效果较好，这是因为al的密度大于si的密度；但是用5mm厚度的al作为防护层其抗辐照效果不佳，因为高能电子穿透能力强，al密度为2.7g/cm3，si密度为2.329g/cm3，二者比较接近，取5mmal，防护效果不明显，此时应当适当增加铝层的厚度。
62.实施例2计算位移吸收剂量深度分布谱
63.一种基于层状结构计算位移吸收剂量深度分布谱的方法，包括以下步骤：
64.s1、测量试件的几何结构参数，几何结构参数包括材料层或球壳的厚度分布、成分分布以及总厚度h，本实施例中总厚度h为20cm；
65.s2、首先将试件简化为2层平板结构，之后采用线性分布方法将试件划分为n层(本实施例中为40层)，按照计算第m层深度，或采用指数分布方法将试件划分为n层(本实施例中为20层)，按照计算第m层深度；
66.s3、基于蒙特卡罗(monte carlo)方法，利用蒙特卡洛模拟工具geant4，通过积分计算步骤s2中每层位移吸收剂量；
67.s4、以步骤s2中计算得到的深度分布的数值作为横坐标，以步骤s3中计算得到的每层位移吸收剂量的数值作为纵坐标，构建辐照实验的位移吸收剂量深度分布谱。
68.采用5mev电子辐照厚度为20cm的al试件，所得试验结果如图8所示。由图8中a图可
知，经5mev电子辐照后，随着深度的增大，al的位移吸收剂量逐渐降低，同时吸收曲线在0-5cm和10-20cm范围内较为平缓，在5-10cm范围内较为陡峭，说明前10cm吸收了大部分电子能量，在使用指数分布的结构划分时(图8中b图所示)与线性分布的结构划分的结果大致对应。
69.采用5mev电子辐照厚度为20cm的si试件，所得试验结果如图9所示。由图9中a图可知，经5mev电子辐照后，随着深度的增大，si的位移离吸收剂量逐渐降低，同时吸收曲线在0-5cm和12.5-20cm范围内较为平缓，在5-12.5cm范围内较为陡峭，说明前12.5cm吸收了大部分电子能量。在使用指数分布的结构划分时(图9中b图所示)与线性分布的结构划分的结果在趋势以及数量级上一样。
70.采用5mev的电子辐照层状al/si(5mm铝、15mm硅)试件，所得试验结果如图10所示。由图10中a图所示，经5mev电子辐照后，随着深度的增大，层状材料的位移吸收剂量逐渐降低，同时吸收曲线在0-5cm和11-20cm范围内较为平缓，在5-11cm范围内较为陡峭，说明前11cm吸收了大部分电子能量。在使用指数分布的结构划分时(图10中b图所示)与线性分布的结构划分的结果大致对应。
71.对比上述三种试件，al的电离防护效果较好，这是因为al的密度大于si的密度；但是用5mm厚度的al作为防护层其抗辐照效果不佳，因为高能电子穿透能力强，al密度为2.7g/cm3，si密度为2.329g/cm3，二者比较接近，取5mmal，防护效果不明显。