ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 1-2, с. 164-171
ЯДРА
ФРАГМЕНТАЦИЯ ВОЛЬФРАМА В ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЯХ ПОД ДЕЙСТВИЕМ КОСМИЧЕСКИХ ПРОТОНОВ ВЫСОКОЙ ЭНЕРГИИ
2015 г. Н. Г. Чеченин*, Т. В. Чувильская, А. А. Широкова, А. Г. Кадменский
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Россия Поступила в редакцию 13.01.2014 г.; после доработки 02.04.2014 г.
Рассматривается фрагментация вольфрама, возникающая в ядерных реакциях под действием космических протонов в электронном оборудовании космических аппаратов. Во многих современных микросхемах с трехмерной слоевой архитектурой вольфрам используется в качестве межуровневой проводящей связи. В рамках предравновесной модели по программам TALYS и EMPIRE-II-19 проведены расчеты таких характеристик фрагментации вольфрама, как сечения упругого и неупругого рассеяния протонов с энергией от 30 до 240 МэВ, выход изотопов и изобар, их энергетические, зарядовые и массовые распределения, а также энергетические спектры отдачи. Показано, что фрагментация вольфрама оказывает существенное влияние на прогнозирование сбоев в электронном оборудовании космических аппаратов.
DOI: 10.7868/Б004400271412006Х
1. ВВЕДЕНИЕ
Невозможно представить в настоящее время электронное оборудование космических аппаратов без интегральных схем, без соединительных и контактных дорожек, площадок, межслоевых соединений проводников и прочих металлических компонентов. Такие компоненты могут иметь в своем составе высокую, а чаще всего 100%-ную, концентрацию Д1, Fe, №, Mo, Ta, ^ Pt, Au и других химических элементов.
Кинематический эффект передачи энергии покоящемуся ядру от налетающего в лобовом столкновении протона уменьшается с ростом массы покоящегося ядра, однако полученная при этом энергия отдачи оказывается достаточной для катастрофических сбоев электроники при высокой энергии протонов. Так, протон с энергией 1 ГэВ в лобовом упругом столкновении с атомом золота теряет всего лишь около 2% своей энергии, однако при этом сообщает ядру золота энергию около 20 МэВ. Лобовые столкновения достаточно редки, большая часть упругих столкновений происходит с прицельными параметрами, отличными от нуля, в результате которых кинетические энергии ядер отдачи формируют спектр, сопряженный с определенным угловым распределением ядер отдачи.
Помимо процессов упругого столкновения протонов с ядрами мишени необходимо рассмотреть
E-mail: chechenin@sinp.msu.ru
вклад ядерных реакций, в результате которых возникает массовый спектр ядер отдачи — продуктов ядерных реакций, простирающийся от атомной массы тяжелых ядер мишени до гелия и водорода. Каждый фрагмент ядерной реакции имеет свой собственный спектр кинетических энергий и свое угловое распределение. Таким образом, картина, возникающая при прохождении космических частиц высоких энергий, имеет сложный вид, и для количественной оценки радиационных эффектов в бортовой электронике требуется привлечение современных ядерных данных, а также современных моделей и реализующих их программных комплексов, позволяющих восполнить пробелы в ядерных данных. К сожалению, в большинстве расчетов присутствие тяжелых элементов не учитывается, что, безусловно, снижает достоверность прогнозов. Результаты расчетов, представленные в настоящей работе, позволяют восполнить этот пробел.
В наших предыдущих работах [1,2] исследовались особенности фрагментации кремния под действием космических протонов высокой энергии. В [3] было показано, что результаты расчетов, выполненных в предравновесной модели по программе EMPIRE, являются чувствительными к выбору параметров потенциалов оптической модели. В настоящей работе, в дополнение к расчетам сечения упругого и неупругого рассеяния, зарядового, массового и энергетического распределения тяжелых продуктов ядерных реакций 28 Si + p и 27Al + p по
программам EMPIRE [4] и TАLYS [5], представлены результаты расчетов тех же характеристик для реакции 183 W + p и проведен их сравнительный анализ.
2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА
2.1. Общая характеристика программного
комплекса EMPIRE-II-19
В настоящей работе расчет характеристик образования фрагментов проводился в рамках предрав-новесной модели ядерных реакций с помощью пакета программ EMPIRE-II-19 (далее EMPIRE). Предравновесные процессы в пакете описываются в рамках четырех подходов: многошаговые прямые ядерные реакции на базе программ ORION and TRISTAN TUL [6]; многошаговые предравновесные процессы, идущие через составное ядро, следуя подходу работы [7]; экситонная модель [8] и гибридная модель, использующая методы Монте-Карло [9]. Кроме этих четырех подходов в программу EMPIRE включены статистическая модель Хаузера—Фешбаха [4], оптическая модель [1O], модель связанных каналов ECIS-O6 и DWBA [11].
Исходя из заданных начальных и промежуточных условий, возникающих по мере выполнения задачи, комплекс EMPIRE либо использует имеющиеся в его распоряжении программы автоматически, либо позволяет гибким образом подключать или исключать определенные программы. Из набора возможностей данного пакета программ в настоящей работе был использован гибридный подход при описании предравновесной стадии ядерных реакций. В этом подходе, помимо метода Монте-Карло, описывающего механизм внутриядерного каскада столкновений, рассматривается также испарительный этап, сопровождающий весь процесс от многоступенчатого прямого через многоступенчатый составной испарительный процесс до равновесного этапа, который рассчитывается по стандартной модели Хаузера—Фешбаха.
Программный комплекс EMPIRE опирается на большой банк данных RIPL-2,3 для входных параметров, таких, как массы ядер, параметры оптической модели, деформации ядер в основном состоянии, структура дискретных уровней и схем распадов, параметры плотности уровней и барьеров деления и т.д. Пакет содержит полную библиотеку EXFOR экспериментальных данных, которая вызывается программой по мере необходимости.
2.2. Общая характеристика программного
комплекса TA LYS
Идея создания компьютерных программ, которые одновременно описывают многоканальные
ядерные реакции не менее точно, чем самое детальное описание только одного или нескольких каналов реакции, не нова. В настоящее время хорошо известны, например, такие программы, как GNASH [12], ALICE [13], STAPRE [14] и EMPIRE [15].
Программа TALYS [5] является современным программным комплексом для реализации предравновесной модели, включая метод связанных каналов, состоящий из ряда программных процедур. Отметим наиболее важные особенности пакета программы TALYS. Прежде всего, эта программа является точным инструментом для расчета таких механизмов ядерной реакции, как прямые и предравновесные, механизмы образования составного ядра и деления ядра. Программа позволяет получить надежное описание различных механизмов реакции в широкой области энергии налетающих частиц (0.001—200 МэВ) и массовых чисел (12 < A < 339). Важной особенностью программы TALYS является объединение параметров современной оптической модели, как феноменологической, так и микроскопической, для многих ядер, а также интегрированный подход в описании ядерных реакций в оптической модели и методом связанных каналов с помощью кода ECIS-06 [11]. В программе имеются различные феноменологические и микроскопические модели расчета плотности уровней, а также автоматические ссылки из базы данных IAEA Reference Input Parameter Library [16] на такие параметры структуры ядра, как масса, дискретные уровни, резонансы, параметры плотности уровней, параметры деформации, барьера деления и гамма-спектров.
3. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ЯДЕР ОТДАЧИ
Одним из достоинств программ EMPIRE и TALYS, применяемых нами для расчета радиационных сбоев под действием космических частиц высокой энергии, является возможность расчета кинетического спектра ядер отдачи.
3.1. Программа EMPIRE
Спектр отдачи рассчитывается на каждом этапе девозбуждения всех ядер, участвующих в цепочке распада ядерной системы, с учетом корреляции между энергией возбуждения ядра и эмиссионной энергией частицы. Испускание частицы снимает возбуждение в ядре-родителе и активизирует спектр отдачи и спектр возбуждения дочернего ядра. Предполагается, что испускание 7-кванта проходит без отдачи, но соответствующие части спектра отдачи сдвигаются в более низкую область энергии возбуждения 7-излучающего ядра. Переходы на дискретные уровни суммированы
непосредственно на основное состояние, поскольку испускание частицы из дискретных уровней не рассматривается и 7-эмиссия не меняет спектра отдачи.
В ходе вычислений были сделаны следующие предположения.
Испускание частицы из ядра с определенной энергией возбуждения не зависит от энергии ядра отдачи. Движение центра масс ядра (отдачи) не влияет на испускание частиц, поскольку последнее обусловлено внутренними степенями свободы. Статистически любое испускание обедняет спектр отдачи однородно, так что для каждого испускания весь спектр отдачи, соответствующий рассматриваемому участку возбуждения материнского ядра, уменьшается на постоянный фактор.
Каждый этап распада составного ядра изотропен, и его характеристики не коррелируют между собой. Однако направленные вперед максимумы в угловых распределениях нуклонов, испускаемых через предравновесные или прямые механизмы, и движение центра масс первого составного ядра сохраняются и учитываются в построении спектров отдачи, рассчитываемых в лабораторной системе (л.с.).
Обозначим энергию эмитируемой частицы через е, энергию возбуждения через Е, энергию отдачи ядра через е и используем индексы г и р для обозначения конечного и родительского ядра соответственно. Дифференциальное сечение йа(е,Е)/б,е описывает спектр отдачи при распаде суммированных по спину и четности состояний с энергией возбуждения Е. При рассмотрении каждого единичного испускания частицы с энергией е определяется дополнительный толчок, получаемый дочерним ядром, и, соответственно, вклад этого толчка в спектр отдачи конечного ядра. Вычисление энергии "толчка отдачи", Де, при единичной эмиссии базируется на сохранении импульса в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.