新型3D合金屏蔽效能的MCNP模擬

劉珉強(qiáng), 朱小鋒, 杜川華

(中國工程物理研究院 電子工程研究所, 四川 綿陽 621000)

在某些強(qiáng)輻射環(huán)境下運(yùn)行的電子系統(tǒng), 需考慮X射線輻射屏蔽加固問題[1-4], 以延長電子系統(tǒng)的使用壽命. 一方面, 通常用高原子序數(shù)Z材料屏蔽X射線[4-6], 由于電子器件的尺寸逐漸減小及系統(tǒng)集成度越來越高, 在確保滿足屏蔽的前提下, 需減小屏蔽材料的體積和質(zhì)量, 因此對屏蔽材料的屏蔽效能提出了更高要求. 另一方面, 隨著3D增材制造技術(shù)的發(fā)展, 與傳統(tǒng)粉末冶金工藝相比, 3D打印為零部件提供了高效、 高質(zhì)的制造方法[7-10]. 針對實(shí)現(xiàn)高屏蔽效能3D印合金的研制目標(biāo), 需開展基于3D打印選材的新型合金材料屏蔽性能仿真研究, 分析合金選型和組分設(shè)計(jì)對合金屏蔽效能的影響規(guī)律, 以縮短設(shè)計(jì)周期并減少研制成本.

本文采用Monte Carlo程序(MCNP)模擬研究基于3D打印選材的新型合金屏蔽性能, MCNP可真實(shí)再現(xiàn)粒子在三維空間中的輸運(yùn)過程, 且方便改變各種實(shí)驗(yàn)條件, 仿真結(jié)果獲取周期短、 成本低[11]. 本文針對低能X射線(20～100 keV高斯分布, 峰值在60 keV處), 用MCNP模擬研究基于3D打印選材的不同摻雜組分及不同摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)合金的屏蔽性能, 分析合金摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)、 摻雜組分及摻雜組分與基體材料原子序數(shù)差值ΔZ對合金屏蔽性能的影響, 并對模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 為新型3D打印合金選材提供參考.

1 方法與模型

圖1 屏蔽效能計(jì)算模型

屏蔽效能計(jì)算模型如圖1所示. 該模型的單向平面源半徑為2.5 cm, 由左向右入射, 屏蔽體距離源10 cm, 厚度為d, 探測體為半徑1 cm、 厚度0.1 cm的Si圓柱(電子器件材料通常為半導(dǎo)體Si), 記錄低能X射線能量沉積.

針對低能X射線(20～100 keV高斯分布, 峰值在60 keV處), 在合金面密度為0.5 g/cm2的條件下, 模擬研究： 1) 在合金摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的條件下, 不同摻雜組分(Al,Fe,Cu,W)合金的屏蔽效能； 2) 在合金摻雜組分相同的條件下, 不同摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0～40%)合金的屏蔽效能； 3) 合金摻雜組分與基體材料原子序數(shù)差值(ΔZ)變化對合金屏蔽效能的影響.

2 模擬結(jié)果

2.1 不同摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)下不同合金的屏蔽效能 合金(TaW,TaCu,TaFe,TaAl,FeCu,FeTa, 元素符號在前的組分為基體, 在后的組分為摻雜)的面密度為0.5 g/cm2, 模擬計(jì)算不同摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0,5%,10%,12%,16%,20%,25%,30%,40%)下合金的屏蔽效能, 結(jié)果如圖2所示, 其中，

圖2 不同摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)-屏蔽效能曲線

由圖2可見： 當(dāng)合金摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同, 基體為Ta金屬時(shí), TaW合金屏蔽效能最好, 隨著摻雜組分原子序數(shù)的減小, TaCu,TaFe,TaAl合金屏蔽效能依次減弱； 當(dāng)基體為Fe金屬時(shí), FeTa合金的屏蔽效能優(yōu)于FeCu合金； 對摻雜組分原子序數(shù)>基體材料原子序數(shù)的合金(TaW,FeCu,FeTa), 隨著摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大, 合金的屏蔽效能變強(qiáng), 如FeTa合金摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)由5%分別增加到10%,20%,30%,40%, 屏蔽效能分別增加4.3%,11.4%,17.2%,22%； 對摻雜組分原子序數(shù)<基體材料原子序數(shù)的合金(TaCu,TaFe,TaAl), 隨著摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大, 合金屏蔽效能變?nèi)? 如當(dāng)TaCu合金摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)由5%分別增加到10%,20%,30%,40%時(shí), 屏蔽效能分別減小0.8%,2.5%,4.5%,6.9%, 這是由于在面密度相同的條件下, 單質(zhì)的原子序數(shù)越大, 其屏蔽效能越強(qiáng)所致, 因此合金屏蔽效能隨摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢與摻雜組分原子序數(shù)有關(guān)； 在摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于40%的條件下, TaW的屏蔽效能最好, 為86.06%～86.45%, FeCu的屏蔽效能最差, 為43.2%～46.8%.

2.2 摻雜組分與基體材料原子序數(shù)差值對合金屏蔽效能的影響 為表征屏蔽效能受影響的程度, 定義

摻雜組分與基體材料原子序數(shù)差值ΔZ=摻雜組分原子序數(shù)-基體材料原子序數(shù).

對不同合金(TaW,TaCu,TaFe,TaAl,FeCu,FeTa)、 不同摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0,5%,10%,12%,16%,20%,25%,30%,40%)下的屏蔽效能數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 將其轉(zhuǎn)化為合金屏蔽效能變化量, 結(jié)果如圖3所示. 當(dāng)合金摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%,20%,30%,40%時(shí), 屏蔽效能變化量與ΔZ的關(guān)系如圖4所示.

圖3 摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)-屏蔽效能變化曲線

圖4 ΔZ-屏蔽效能變化曲線

由圖3和圖4可見： 對摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的TaW,FeCu,FeTa三種合金, 其摻雜組分原子序數(shù)>基體材料原子序數(shù), TaW合金屏蔽效能正向變化量最小, 隨著ΔZ的增大, FeCu和FeTa合金屏蔽效能正向變化量依次增大, 且變化幅度與摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)； 對摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的TaCu,TaFe,TaAl三種合金, 其摻雜組分原子序數(shù)<基體材料原子序數(shù), TaCu合金屏蔽效能負(fù)向變化量最小, 隨著ΔZ的減小, TaFe和TaAl合金屏蔽效能負(fù)向變化量依次增大, 且變化幅度與摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān), 這是由于在面密度相同的條件下, 摻雜組分與基體材料原子序數(shù)差值ΔZ越小, 二者單質(zhì)的屏蔽效能越接近, 因此合金的原子序數(shù)差值ΔZ越小, 合金的屏蔽效能變化量越小； 在摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同(<40%)的條件下, TaW屏蔽效能變化量最大為0.46%, FeTa屏蔽效能變化量最大為61.44%, 因此, 合金摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)對TaW屏蔽效能影響最小, 對FeTa影響最大.

3 模擬結(jié)果驗(yàn)證

基于熒光譜儀產(chǎn)生的不同低能X射線(E=37.4,43.2,45.3,46.1,52.1,53.6,58.0,67.2,68.9,69.3,72.8,74.9,77.9,80.2,84.7,87.3 keV)對摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%、 厚度為0.3,0.5 mm的TaW合金進(jìn)行透射率測試及MCNP模擬仿真, 并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比, 結(jié)果分別如圖5和圖6所示. 由圖5和圖6可見, 考慮到合金厚度的測量精度(0.1 mm)與合金厚度的不均勻性引入的誤差, 在誤差允許范圍內(nèi), MCNP模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致, 表明模擬方法合理可行.

圖5 0.3 mm的TaW合金不同低能X射線透射率曲線

圖6 0.5 mm的TaW合金不同低能X射線透射率曲線

綜上, 本文通過分析合金屏蔽效能與摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)、 組分以及摻雜組分與基體材料原子序數(shù)差值ΔZ的關(guān)系, 可得如下結(jié)論：

1) 合金的屏蔽效能與摻雜組分原子序數(shù)呈正相關(guān)； 當(dāng)摻雜組分原子序數(shù)>基體材料原子序數(shù)時(shí), 合金屏蔽效能與摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)； 當(dāng)摻雜組分原子序數(shù)<基體材料原子序數(shù)時(shí), 合金屏蔽效能與摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)；

2) 當(dāng)摻雜組分原子序數(shù)>基體材料原子序數(shù)時(shí), ΔZ絕對值越大, 合金的屏蔽效能正向變化越大, 且變化幅度與摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)成呈正相關(guān)； 當(dāng)摻雜組分原子序數(shù)<基體材料原子序數(shù)時(shí), ΔZ絕對值越大, 合金屏蔽效能負(fù)向變化越大, 且變化幅度與摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)；

3) 對小于100 keV的低能能譜, TaW合金的屏蔽效能最好, 且摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對其屏蔽性能影響最??；

4) 在高屏蔽效能新型3D打印合金開發(fā)過程中, 可利用MNCP仿真結(jié)果指導(dǎo)合金選型與組分設(shè)計(jì).