中子對(duì)碲鋅鎘輻照損傷模擬研究*

魏雯靜 高旭東 呂亮亮 許楠楠 李公平

(蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,蘭州 730000)

碲鋅鎘探測(cè)器長(zhǎng)期暴露于輻射環(huán)境下時(shí),會(huì)形成不同程度的輻照損傷,影響器件性能甚至失效,極大縮短探測(cè)器在輻射場(chǎng)中的服役時(shí)限.本文首先利用Geant4 程序包對(duì)能量為1.00—14.00 MeV的中子在碲鋅鎘中的輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)行模擬,獲取初級(jí)離位原子的信息,進(jìn)而結(jié)合級(jí)聯(lián)碰撞模型,對(duì)不同能量的中子在碲鋅鎘材料中造成的輻照損傷進(jìn)行模擬計(jì)算.計(jì)算結(jié)果表明初級(jí)離位原子能量大部分位于低能端,并隨著入射中子能量升高,初級(jí)離位原子的種類更加豐富,能量也逐漸增大;中子輻照碲鋅鎘材料時(shí)非電離能損沿著深度方向均勻分布,且非電離能損隨著入射中子能量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì);輻照損傷量—原子離位次數(shù)(dpa)的計(jì)算結(jié)果表明,dpa 也隨入射中子能量升高呈先增大后減小的趨勢(shì),進(jìn)一步分析可知隨著入射中子能量增大,非彈性散射成為造成材料內(nèi)部離位損傷的主要因素.

1 引言

碲鋅鎘(cadmium zinc telluride,CZT)作為第三代前沿戰(zhàn)略性半導(dǎo)體材料,由于其自身優(yōu)異的特性所制成的核輻射探測(cè)器等器件近年來(lái)成為關(guān)注的熱點(diǎn),CZT 探測(cè)器具有探測(cè)效率高、暗電流小、便攜性強(qiáng)以及無(wú)需附加冷卻系統(tǒng)便可在室溫下使用等優(yōu)點(diǎn)[1,2].CZT 材料是當(dāng)前制造室溫紅外探測(cè)、X 射線探測(cè)、γ射線探測(cè)等探測(cè)器最先進(jìn)的材料之一,被廣泛應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)、輻射監(jiān)測(cè)、天文學(xué)等領(lǐng)域,具有廣闊的發(fā)展前景[3?6].但在輻射場(chǎng)下服役期間,CZT 材料會(huì)受到各種輻射粒子的影響,例如空間輻射環(huán)境以及核爆輻射環(huán)境中產(chǎn)生的γ射線、質(zhì)子、電子和中子等,其中中子造成的損傷深度較大,具有均勻貫穿的特點(diǎn).這些粒子會(huì)對(duì)器件造成不同程度的輻照損傷,進(jìn)而使探測(cè)器的性能下降甚至失效[7].

當(dāng)前已有通過(guò)實(shí)驗(yàn)、模擬計(jì)算等方式開展質(zhì)子、γ射線以及重離子等在CZT 材料中造成的輻照損傷的研究.Gu等[8]通過(guò)2 MeV 質(zhì)子輻照CZT探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)研究得到CZT 探測(cè)器的輻照損傷閾值約為3.3× 1011p/cm2;Xu等[9]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),高劑量(～2.4 kGy)的60Coγ射線輻照CZT 探測(cè)器后,電子遷移率壽命積從1.08× 10–3cm2/V 下降到7.12× 10–4cm2/V,同時(shí)發(fā)現(xiàn)康普頓光電子是其主要的相互作用產(chǎn)物,可生成1010—1011個(gè)Cd 空位以及缺陷配合物;Bao等[10]研究了以Au為引出電極的CZT 探測(cè)器在3 MeV和2.08 GeV的Kr 離子在注量為1× 1012ions/cm2輻照后的性能變化,發(fā)現(xiàn)CZT 探測(cè)器在3 MeV的Kr 離子輻照后,大量Au 遷移到CZT 材料中,導(dǎo)致探測(cè)器漏電流從3.37 nA 增長(zhǎng)到246 nA,探測(cè)器失效,而CZT 探測(cè)器經(jīng)過(guò)2.08 GeV的Kr 離子輻照后Au 遷移量很小,漏電流變化很小,但探測(cè)器的能量分辨率從6.2% 下降到15.8%,由于3 MeV的Kr 離子輻照主要以非電離能量損失(non-Ionizing energy loss,NIEL)沉積能量,而2.08 GeV的Kr離子主要發(fā)生電離能量損失,而NIEL 與輻照損傷正相關(guān),因此3 MeV的Kr 離子輻照導(dǎo)致了更明顯的輻照損傷.

近年來(lái),部分學(xué)者也開展了中子輻照對(duì)CZT探測(cè)器性能影響的研究.Eisen等[11]研究了1—7 MeV的快中子輻照CZT 像素探測(cè)器,發(fā)現(xiàn)總劑量約為1010n/cm2中子輻照后能量分辨率從2.1%下降到6%;Bao等[12]通過(guò)252Cf 中子源研究了快中子輻照對(duì)In 摻雜的CZT 探測(cè)器性能的影響,當(dāng)1010n/cm2中子輻照后,樣品的全能峰能量分辨率從生長(zhǎng)樣品的8.8%下降到17.5%,對(duì)于5×1010n/cm2中子輻照后,樣品中產(chǎn)生1016/cm3缺陷,載流子遷移率壽命積從1.0× 10–3cm2/V 減小到1.6× 10–5cm2/V;Bartlett等[13]將CZT 平面探測(cè)器置于252Cf 中子源下,當(dāng)累積中子注量大于1010n/cm2,探測(cè)器的光譜特性會(huì)退化.這些研究皆表明,隨中子注量增大,輻照損傷會(huì)嚴(yán)重影響探測(cè)器的探測(cè)性能,甚至使其完全失效.盡管目前已有部分中子輻照對(duì)CZT 探測(cè)器影響的實(shí)驗(yàn)研究,但關(guān)于中子輻照CZT 材料過(guò)程中在材料內(nèi)部造成損傷模擬計(jì)算研究較少.早期中子輻照損傷效應(yīng)以其他帶電粒子輻照損傷等效替代進(jìn)行研究,而目前已有研究者通過(guò)Geant4 以及分子動(dòng)力學(xué)等方法對(duì)InP,Zr,Si 以及GaN 等材料的中子輻照損傷情況加以研究,得出中子輻照各類材料后內(nèi)部損傷情況[14?17].基于太空輻射環(huán)境,及核爆環(huán)境下,中子輻照損傷造成的器件損壞成為了當(dāng)今抗輻照效應(yīng)材料器件研究的關(guān)鍵,此外由于CZT 材料的優(yōu)異特性,其可制成具有較好應(yīng)用前景的中子探測(cè)器,但也同時(shí)存在中子輻照損傷的隱患.所以基于核反應(yīng)堆等高輻射場(chǎng),明確中子輻照CZT 材料的微觀過(guò)程,特別是明確離位損傷、電離損傷等對(duì)進(jìn)一步提升CZT 材料抗輻照性能有重要意義.本文利用Geant4 程序包對(duì)中子在CZT 材料中的運(yùn)輸過(guò)程進(jìn)行模擬,從NIEL、輻照損傷量—原子離位次數(shù)(displacements per atom,dpa)等方面分析中子在CZT 材料內(nèi)部產(chǎn)生的輻照損傷,探究不同能量中子輻照對(duì)于CZT 半導(dǎo)體材料的輻照損傷程度,為進(jìn)一步明確輻照粒子對(duì)CZT 材料的輻照損傷微觀機(jī)制,以及探究如何提升CZT 材料的抗輻照性能奠定理論基礎(chǔ).

2 計(jì)算模型

2.1 物理模型構(gòu)建

Geant4是歐洲核子中心推出的基于蒙特卡洛方法的高能粒子仿真模擬程序庫(kù),用戶可通過(guò)構(gòu)建物理模型,調(diào)用所需的PhysicsList,進(jìn)行粒子輸運(yùn)過(guò)程的模擬,實(shí)現(xiàn)追蹤粒子動(dòng)能、動(dòng)量等功能.Geant4 相比于MCNP和EGS 等軟件,具有模擬粒子能量范圍較大,以及開源等優(yōu)勢(shì)[18?20].本文首先利用Geant4 程序包對(duì)中子在CZT 材料中的輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)行模擬,在獲取初級(jí)離位原子(primary knock-on atom,PKA)能譜等信息的基礎(chǔ)上,結(jié)合經(jīng)典二元碰撞模型對(duì)中子的輻照損傷進(jìn)行計(jì)算.本文計(jì)算調(diào)用QGSP_BIC_HP為物理列表.

中子與物質(zhì)相互作用過(guò)程中,原子核受中子轟擊可能發(fā)生的反應(yīng)類型包括:彈性散射(n,n)、非彈性散射(n,n′)、以及(n,γ),(n,p),(n,d),(n,t),(n,3He),(n,α)等核反應(yīng)及核裂變.而對(duì)于1.00—14.00 MeV 中子輻照CZT 靶材來(lái)說(shuō),其主要發(fā)生彈性散射、非彈性散射、輻射俘獲以及(n,2n)等核反應(yīng)[21,22].

當(dāng)中子與靶材料原子發(fā)生相互作用時(shí),靶原子將獲得能量,若其能量超過(guò)該原子自身離位閾能Ed,則會(huì)離開所屬位置,成為PKA,在原位置形成空位缺陷.若PKA 能量足夠大,則會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)與其他原子發(fā)生碰撞,進(jìn)而產(chǎn)生次級(jí)離位原子(SKA),從而產(chǎn)生級(jí)聯(lián)碰撞.除彈性散射過(guò)程外,非彈性散射等過(guò)程會(huì)生成能量較高的反應(yīng)產(chǎn)物,此類產(chǎn)物與原子核發(fā)生屏蔽庫(kù)倫散射,在材料中慢化,并且會(huì)傳遞更高的能量使得靶原子離開原來(lái)的位置,導(dǎo)致離位損傷[16].由于兩類過(guò)程造成缺陷機(jī)理相似,故將其統(tǒng)稱為PKA 進(jìn)行分析討論[23].

2.2 幾何模型參數(shù)

本文利用Geant4 程序包構(gòu)建計(jì)算模型時(shí),參考實(shí)際應(yīng)用環(huán)境以及目前CZT 材料生產(chǎn)情況,基于現(xiàn)存中子源裝置能量范圍,方便之后進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)開展,設(shè)定模擬環(huán)境為真空,靶材料中Zn 含量占總原子數(shù)的5%,Cd 含量占45%,其余為Te.CZT 材料尺寸為10 mm× 10 mm×1 mm,密度5.78 g/cm3,并采用單能平行中子束入射,中子能量分別設(shè)定為1.00—14.00 MeV,入射中子數(shù)為1× 108個(gè).如圖1 所示,對(duì)于1.00—14.00 MeV 入射中子,其平均自由程為2.5—4.0 cm,因此可認(rèn)為在本文模擬設(shè)定厚度為1 mm的靶材料中,絕大部分入射中子與原子核僅發(fā)生一次相互作用.計(jì)算過(guò)程中使用的幾何模型結(jié)構(gòu)如圖2 所示.

圖1 中子在CdZnTe 中的平均自由程Fig.1.The mean free path of neutron in CdZnTe.

圖2 Geant4 幾何模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2.Schematic diagram of Geant4 geometric model structure.

2.3 輻照損傷計(jì)算方法

NIEL是指入射粒子與靶材料相互作用時(shí),造成離位損傷時(shí)所沉積的部分能量,可作為衡量樣品輻照后離位損傷的量度.同時(shí)中子輻照半導(dǎo)體材料時(shí),通過(guò)彈性散射以及非彈性散射等一系列過(guò)程,會(huì)產(chǎn)生不同種類、能量的PKA,結(jié)合級(jí)聯(lián)碰撞模型,可計(jì)算得到總的離位原子數(shù)Nd.NIEL的計(jì)算公式如下[24]:

式中,NA為阿伏伽德羅常數(shù),A為靶原子質(zhì)量數(shù),Tmin,Tmax分別為PKA 最小,最大能量,Ed代表靶原子離位閾能,T表示初級(jí)反沖原子能量,dσ/dT為粒子產(chǎn)生動(dòng)能為T的反沖核的損傷截面,Q(T)為初級(jí)反沖原子的損傷能.進(jìn)一步推導(dǎo)可得(2)式,基于Geant4 模擬計(jì)算中,(2)式中T、Q(T)相比(1)式的積分以及反應(yīng)截面更便于讀取,所以在本文模擬計(jì)算過(guò)程中,采用(2)式對(duì)中子產(chǎn)生的NIEL進(jìn)行計(jì)算[25,26]:

式中,σd為離位損傷截面,Edam離位能損,Nυ為靶原子的原子密度,x為靶材厚度,ρ為靶材密度.

本文通過(guò)修正后的lindhard分離函數(shù)計(jì)算得到Edam,代入(2)式求得NIEL,歸一化NIEL 計(jì)算見(jiàn)(3)式,n為入射粒子數(shù)目[14]:

Robinson等[27]以及Akkerman等[24]修正后的lindhard 分離函數(shù)可表述為

其中Z1,Z2,A1,A2分別為PKA 與靶原子的原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù).對(duì)于CZT 此類化合物,應(yīng)計(jì)算其平均電荷數(shù)Z2,average和平均質(zhì)量數(shù)A2,average,即:

式中,Z2,i,A2,i依次表示化合物中各元素的電荷數(shù)及質(zhì)量數(shù),ni代表元素i在化合物中的相對(duì)分?jǐn)?shù),代入(3)—(7)式計(jì)算可得NIEL.

通常用dpa 表征輻照損傷[28,29],即:

其中N表示靶材料中所包含的原子數(shù)目,Nd表示PKA 產(chǎn)生的離位原子數(shù),可利用NRT 模型進(jìn)行計(jì)算得到[27]:

由此可見(jiàn),Ed對(duì)dpa 有較大的影響,但目前為止,關(guān)于Cd,Zn,Te 這3 種原子的Ed并沒(méi)有統(tǒng)一的參考閾值.早在1967年,Bryant等[30]利用電子輻照的方法研究了CdTe 材料中原子的Ed,研究結(jié)果表明能量高于340 keV的電子使得CdTe 材料的發(fā)射光譜發(fā)生明顯改變,因此作者認(rèn)為能量為340 keV的電子能夠使得Cd和Te 發(fā)生離位,進(jìn)而推斷CdTe 材料中Cd,Te 原子的Ed分別為8.9,7.8 eV.Guo等[31]在其研究中即采用Bryant等[30]研究得到的Ed,并將Zn的Ed設(shè)定為7.35 eV,但上述研究工作中涉及的Ed比通常默認(rèn)的20—25 eV 低得多,在本文模擬計(jì)算過(guò)程中,將沿用Xu等[9]研究中的Ed,近似考慮認(rèn)為Ed=Eb(結(jié)合能),故將Cd,Te和Zn的Ed分別設(shè)定為18.99,19.01和19.39 eV[9].Edam(T)可通過(guò)lindhard 分離函數(shù)計(jì)算得出,即通過(guò)(4)—(8)式計(jì)算得出Edam(T)數(shù)值后代入(9)和(10)式計(jì)算得到dpa.本文主要通過(guò)NIEL和dpa 等來(lái)定量分析樣品所受輻照損傷程度.

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 反應(yīng)截面

如圖3 所示,分別給出Cd,Te,Zn 原子中子反應(yīng)截面,分析可知對(duì)于1—20 MeV 高能中子,其反應(yīng)截面均在0—6 barn(1 barn=1.0× 10–28m2)范圍內(nèi)浮動(dòng),整體反應(yīng)截面較小.3 類原子在較低能中子反應(yīng)時(shí),其主要以彈性散射為主,隨著中子能量逐漸增大,非彈性散射截面逐漸增大后又下降,并伴隨其他核反應(yīng)截面升高.分析各類原子與中子反應(yīng)截面,有利于掌握材料中子輻照過(guò)程中反應(yīng)類型的甄別,以及輻照效應(yīng)的梳理.

圖3 中子反應(yīng)截面(a)Cd;(b)Te;(c)ZnFig.3.Neutron reaction cross section:(a)Cd;(b)Te;(c)Zn.

3.2 不同能量中子產(chǎn)生PKA 信息

表1 列出了D-D 中子(2.45 MeV)與D-T 中子(14.00 MeV)能量的中子輻照CZT 材料所生成的PKA的種類、動(dòng)能以及占比等信息(更多能量下PKA 信息匯總見(jiàn)附錄).分析可知,PKA 種類隨著入射中子能量的升高逐漸增加,由于中子與靶核發(fā)生嬗變反應(yīng),例如(n,p)和(n,α)等,生成其他類型的核素,如1H,4He,64,67Cu,107Cd,115Cd,111Ag,103Pd等,特別由于1H和4He 兩種元素在材料中溶解度極小,很容易析出形成氫泡或氦泡,導(dǎo)致材料發(fā)生“氫脆”或“氦脆”的現(xiàn)象,破壞材料特性,造成較為嚴(yán)重的輻照損傷,進(jìn)而影響材料在探測(cè)器以及其他電子器件的壽命及使用.

此外,從表1 中可以看出,Cd,Te 類PKA 占比較大,并且在入射中子能量升高后,Cd_PKA數(shù)量占比反超Te_PKA 數(shù)量;比較Cd,Te,Zn 與其他類別PKA 動(dòng)能,可以發(fā)現(xiàn)其他類PKA 動(dòng)能遠(yuǎn)大于Cd,Te,Zn 類PKA的動(dòng)能,其數(shù)量占比同低能入射中子相比,也有所提高.高能PKA的出現(xiàn),將導(dǎo)致更多離位原子的產(chǎn)生,并隨著其數(shù)量的增多,造成更大程度的輻照損傷.

圖4 給出了能量為2.45 MeV(D-D 中子)及14.00 MeV(D-T 中子)的中子在CZT 材料內(nèi)部產(chǎn)生的PKA 能譜,分別是Cd_PKA,Te_PKA 以及Zn_PKA.對(duì)比分析可知,隨著入射中子能量的增大,PKA的最大能量將會(huì)提高(圖4(b)橫坐標(biāo)末端右側(cè)仍存在高能PKA 并未標(biāo)出),但絕大部分PKA 處于較低能端,3 類PKA的數(shù)量均隨著能量升高而減小,并且不論中子能量是2.45 MeV還是14.00 MeV,Cd_PKA 與Te_PKA 數(shù)量相差較小,但Te_PKA 在低能端占比更大,而Zn_PKA數(shù)目遠(yuǎn)小于其他兩類PKA,這是由其反應(yīng)截面以及靶材料中不同原子含量占比所共同調(diào)制.但對(duì)于14.00 MeV 中子輻照所得PKA 能譜而言,雖然低能端的Te_PKA 數(shù)目多于Cd_PKA,但由于其高能端PKA 數(shù)目小于高能端Cd_PKA 數(shù)目,綜合分析,Cd_PKA 數(shù)目將大于Te_PKA,與表1所示數(shù)據(jù)相同.從2.45 MeV 中子所形成的PKA能譜中發(fā)現(xiàn),Te_PKA 在高能端出現(xiàn)一小峰,這可能是由于其發(fā)生了非彈性散射導(dǎo)致生成較高能量的PKA,這將會(huì)導(dǎo)致大量離位原子的產(chǎn)生,損害材料內(nèi)部結(jié)構(gòu),造成嚴(yán)重的輻照損傷.

圖4 中子輻照不同種類PKA 能譜圖(a)2.45 MeV;(b)14.00 MeVFig.4.PKA spectra of different types of neutron irradiation:(a)2.45 MeV;(b)14.00 MeV.

表1 不同能量中子輻照CZT 產(chǎn)生PKA 信息匯總表Table 1.Summary of PKA generated by neutron incident Cd,Te,Zn.

3.3 離位損傷

3.3.1 NIEL

依據(jù)lindhard 函數(shù)計(jì)算得到PKA 損傷能Edam,進(jìn)而計(jì)算得到不同深度處不同能量中子(1.00,2.45,5.00,10.00,14.00 MeV)輻照后CZT 材料中NIEL,如圖5所示.從圖5 可以直觀看到單能中子輻照時(shí),在靶材中的NIEL 隨深度分布均勻.這是由于在本次模擬計(jì)算中,靶材料厚度設(shè)定為1 mm,由圖1 可知本次計(jì)算所涉及到中子能量范圍其對(duì)應(yīng)的中子平均自由程在厘米量級(jí),而對(duì)于1 mm 厚度靶材料,大部分中子在其內(nèi)部?jī)H發(fā)生一次碰撞,碰撞次數(shù)較少,使得NIEL 隨深度分布均勻,無(wú)明顯差異.圖6給出了不同反應(yīng)類型的NIEL 隨入射中子能量變化的關(guān)系.從圖6 可以看到隨著入射中子能量的增大,靶內(nèi)造成的NIEL 并沒(méi)有持續(xù)增大,而是從入射中子能量為9.00 MeV起,有了小范圍的降低,也就是在1.00—14.00 MeV范圍內(nèi),9.00 MeV 中子入射時(shí),靶內(nèi)產(chǎn)生的NIEL達(dá)到峰值,與圖5 中顯示的不同能量中子入射靶材料中的NIEL 分布趨勢(shì)一致.進(jìn)一步分析可知,其NIEL 主要是由彈性碰撞以及非彈性碰撞造成,其中非彈性碰撞造成的NIEL 在1.00—9.00 MeV 范圍內(nèi)逐漸升高,在2.45 MeV 后超過(guò)彈性碰撞所造成的NIEL,成為靶材料中NIEL的主要貢獻(xiàn)部分,并且由于靶材料厚度較薄,隨著中子能量提高,靶材料原子與中子發(fā)生相互作用的概率在一定程度上降低,多方面因素導(dǎo)致隨入射中子能量增大,總的NIEL 呈先增大后減小的趨勢(shì),與非彈性散射造成的NIEL 趨勢(shì)一致,而輻射俘獲所造成的NIEL 占比較小,與彈性散射所貢獻(xiàn)的NIEL 均隨入射中子能量無(wú)明顯變化.

圖5 不同能量中子輻照CZT 材料NIEL 隨深度變化Fig.5.NIEL of CZT material irradiated by neutrons of different energies varies with depth.

圖6 不同反應(yīng)類型NIEL 隨入射中子能量變化Fig.6.NIEL varies with incident neutron energy in different reaction types.

3.3.2Nd

利用修正后的NRT 模型計(jì)算得出具有不同能量的PKA 產(chǎn)生的Nd,其中包含級(jí)聯(lián)碰撞所造成的更多缺陷數(shù).依據(jù)不同反應(yīng)類型,分別比較不同類別PKA 所造成的Nd,如圖7 所示.

圖7 不同反應(yīng)類型造成離位原子數(shù)隨能量變化(a)Cd;(b)Te;(c)Zn;(d)TotFig.7.The number of dislocated atoms varies with energy due to different reaction types:(a)Cd;(b)Te;(c)Zn;(d)Tot.

從圖7 中可以明顯看到Te,Zn 所造成的Nd與靶材料中總Nd變化趨勢(shì)相似,但Cd 所造成的Nd卻與其他類原子Nd變化趨勢(shì)大不相同,其隨入射中子能量增大而持續(xù)增大.對(duì)于各類原子造成的Nd,其中非彈性散射占主要貢獻(xiàn)部分,決定了總Nd的趨勢(shì),而彈性散射以及輻射俘獲均隨入射中子能量增長(zhǎng)無(wú)明顯變化.故非彈性散射在高能中子入射的情況下是造成離位損傷的主要原因.其中產(chǎn)生的Cd類Nd中,由非彈性散射產(chǎn)生的部分隨中子能量增大逐漸增多,結(jié)合反應(yīng)截面分析,這可能是由于在非彈性散射反應(yīng)截面降低的同時(shí),其他類核反應(yīng)截面升高,并隨之生成高能PKA 產(chǎn)生更多離位缺陷,與此同時(shí),雖然Te 原子非彈性散射截面降低,同時(shí)也伴有核反應(yīng)截面升高,但由于其主要發(fā)生(n,2n)和(n,3n)核反應(yīng),這兩類核反應(yīng)對(duì)于Cd 原子可生成112Cd 等穩(wěn)定核素,但對(duì)于Te 原子其產(chǎn)生129Te 等不穩(wěn)定核素,極易發(fā)生β－衰變生成其他核素,減少Te類Nd的產(chǎn)生.所以綜合考慮,雖然隨中子能量升高,各類核反應(yīng)截面升高,但Te 產(chǎn)生的Nd仍然呈下降趨勢(shì).Zn的情況同Te 類似,并且其他類核反應(yīng)截面也較低,所以同樣會(huì)出現(xiàn)隨中子能量升高但產(chǎn)生的Nd卻下降的情況.

3.3.3 dpa

由Nd計(jì)算得到平均每個(gè)原子所造成的缺陷數(shù),結(jié)果如圖8 所示.靶材料中PKA 造成原子離位,會(huì)造成鎘空位(VCd)、碲空位(VTe)以及鋅空位(VZn)等缺陷.dpa 隨入射中子能量變化趨勢(shì)大致與NIEL 隨入射中子能量變化趨勢(shì)一致,其中VCd,VTe數(shù)目隨入射中子能量逐漸升高,并在9.00 MeV之前增長(zhǎng)幅度保持一致,而VTe數(shù)目在9.00 MeV后開始下降,VCd數(shù)目仍然保持增長(zhǎng)趨勢(shì),但相比前者,VZn數(shù)目并沒(méi)有隨著中子能量增長(zhǎng)有明顯變化.這與表1 中入射中子能量較高時(shí),Cd_PKA數(shù)目占比逐漸超過(guò)Te_PKA 數(shù)目占比的趨勢(shì)保持一致.這可能是由于Cd,Te,Zn 三類原子在靶材中的原子占比以及反應(yīng)截面共同導(dǎo)致.

圖8 各類原子dpa 隨中子能量變化Fig.8.Dpa of various atoms varies with neutron energy.

如圖3 所示,隨中子能量增大,Te、Zn 原子的非彈性散射截面逐漸升高并保持平穩(wěn),對(duì)于Cd 原子,非彈性散射截面甚至反超彈性散射截面.但在中子能量增大到約9.00 MeV 之后,Te,Zn 原子的非彈性碰撞截面逐漸降低,Cd 原子的非彈性散射截面在中子能量大于6.00 MeV 后呈下降趨勢(shì),即造成的PKA 平均能量將降低,由其造成的缺陷數(shù)降低,但其中Cd 原子除非彈性散射截面降低外,伴隨其他核反應(yīng)生成并產(chǎn)生穩(wěn)定高能PKA,所以導(dǎo)致其總PKA 平均能量依舊保持較高水平,如圖8所示,在9.00 MeV 后VTe數(shù)目減小而VCd仍然持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì).

4 結(jié)論

本文主要模擬計(jì)算了1.00—14.00 MeV 中子在CZT 材料中的輻照損傷,統(tǒng)計(jì)分析其在靶材中產(chǎn)生的PKA 能譜、NIEL、Nd以及dpa 等方面信息,來(lái)綜合考量CZT 材料所受輻射損傷程度.由以上數(shù)據(jù)分析可知:PKA 能量主要分布于低能端,并且隨著入射中子能量的升高,其PKA 種類增多,最大能量也在升高,其中以Cd,Te_PKA為主要組成部分,并在較高能中子輻照后伴隨部分H,He 粒子生成,可能會(huì)進(jìn)一步影響材料自身特性;NIEL隨深度均勻分布是由于所選靶材厚度相對(duì)于中子在CZT 材料中的平均自由程較小所致,靶材中NIEL 隨入射中子能量增長(zhǎng)呈先增大后減小的趨勢(shì),其主要原因是非彈性散射截面隨中子能量變化;進(jìn)一步分析得知輻照后靶材中的Nd隨入射中子能量升高先增大后減小,其中VCd隨入射中子能量升高持續(xù)增大,而VTe,VZn卻隨著入射中子能量升高出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),但這并不表示較高能中子輻射材料所導(dǎo)致的輻照損傷變小,因?yàn)槌酥饕狢d,Te,Zn 類PKA 造成的離位損傷外,中子輻照后還會(huì)產(chǎn)生各類其他核素的高能次級(jí)粒子,這些次級(jí)粒子造成的輻照損傷同樣重要,例如次級(jí)gamma 射線、次級(jí)中子同樣可能造成一定程度的輻照損傷.本文從微觀角度研究中子對(duì)CZT材料的輻照損傷情況,為今后進(jìn)一步進(jìn)行中子輻照實(shí)驗(yàn)奠定計(jì)算基礎(chǔ),同時(shí)給尋找提升核輻射探測(cè)器等半導(dǎo)體器件的耐輻照特性途徑提供理論參考.目前依據(jù)本文中子輻照碲鋅鎘材料的損傷情況來(lái)看,隨著中子能量逐漸升高,其離位損傷先增大后減小,所以制作探測(cè)器時(shí),可以根據(jù)所測(cè)量中子的預(yù)期能量進(jìn)行合理設(shè)計(jì),若要測(cè)量高能量中子,則在碲鋅鎘探測(cè)器基礎(chǔ)上附加中子慢化層,達(dá)到利用降低中子能量來(lái)降低輻照損傷,最終延長(zhǎng)探測(cè)器使用壽命的目的.并且由于非電離能損占主要損傷因素,所以適當(dāng)增大探測(cè)器中碲鋅鎘材料尺寸,也可在一定程度上提高探測(cè)器使用壽命.

感謝蘭州大學(xué)超算中心為本研究提供的超算平臺(tái)支持.

附錄

表A1 中子入射CdZnTe 產(chǎn)生的PKA 詳細(xì)信息匯總表Table A1.Summary of PKA details generated by neutron incident CdZnTe.

表A1（續(xù)）中子入射CdZnTe 產(chǎn)生的PKA 詳細(xì)信息匯總表Table A1(continued).Summary of PKA details generated by neutron incident CdZnTe.