научная статья по теме РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЯДЕРНОГО ВКЛАДА В ОДИНОЧНЫЕ СБОИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПРОТОНОВ УМЕРЕННО ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ Физика

Текст научной статьи на тему «РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЯДЕРНОГО ВКЛАДА В ОДИНОЧНЫЕ СБОИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПРОТОНОВ УМЕРЕННО ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ»

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 10, с. 943-948

ЯДРА

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЯДЕРНОГО ВКЛАДА В ОДИНОЧНЫЕ СБОИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПРОТОНОВ УМЕРЕННО ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

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 19.01.2015 г.; после доработки 03.04.2015 г.

В продолжение и развитие наших предыдущих работ, где исследовались ядерные реакции протонов умеренно высоких энергий (от 10 до 400 МэВ) на атомах А1 и представлены результаты исследований ядерных реакций на атомах меди, которая составляет значительную часть материала контактных дорожек современных и перспективных сверхбольших интегральных схем, особенно в ЗЭ-топологии. В результате ядерных реакций возникает массовый и зарядовый спектр ядер отдачи — продуктов ядерных реакций, простирающийся от тяжелых ядер мишени до гелия и водорода. Рассчитаны спектры кинетических энергий образующихся фрагментов ядерной реакции. Проведен сравнительный анализ результатов расчета, полученных с использованием наших расчетных методов, с расчетами и экспериментальными данными других авторов.

DOI: 10.7868/S0044002715090068

1. ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших задач на стадии конструирования космических аппаратов и совершенствования их радиационной защиты является реалистичный прогноз ресурса работоспособности бортовой электроники в условиях радиационного окружения космического пространства. В настоящее время качество прогноза ограничивается неопределенностью, вызванной дефицитом экспериментальных данных и неоднозначностью параметров моделей, применяемых для оценки вероятностей радиационных эффектов. Хорошо известно, что радиационные эффекты приводят либо к восстанавливаемому одиночному сбою, либо к невос-станавливаемым сбоям, таким, как "прожигание" мощных полевых транзисторов, пробои подзатвор-ного диэлектрика, тиристорный эффект ("защелкивание") в интегральных схемах и т.п. [1,2].

Основным механизмом одиночного сбоя является генерация и последующее разделение электрон-дырочных пар либо в процессе ионизационных потерь первичных частиц космического излучения, либо в процессе ионизационных потерь вторичных частиц, являющихся продуктом упругого рассеяния первичных частиц и вызываемых ими ядерных реакций. Ядерные реакции, вызываемые такими частицами (протонами), порождают ядра отдачи и другие тяжелые фрагменты, для которых

E-mail: chechenin@sinp.msu.ru

характерно высокое значение ионизационных потерь, так называемой линейной передачи энергии.

Неопределенность в прогнозировании одиночных сбоев за счет продуктов ядерных реакций в данном случае в значительной мере объясняется недостаточным знанием сечений различных каналов ядерных реакций, а также спектров кинетических энергий их продуктов.

В наших предыдущих работах [3—6] исследовались особенности фрагментации кремния, алюминия и вольфрама под действием космических протонов высокой энергии. В [5] было показано, что результаты расчетов сечений неупругого рассеяния, выполненных по программе EMPIRE, являются чувствительными к выбору параметров потенциалов оптической модели. В настоящей работе в дополнение к расчетам сечений рассеяния, зарядового, массового и энергетического распределения тяжелых продуктов ядерных реакций 28 Si + p, 27Al + p, 183W + p по программе TALYS [7] представлены результаты расчетов тех же характеристик для реакции 63Си + p и проведен их сравнительный анализ.

2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА

Общая характеристика программного комплекса TA LYS

В настоящее время для расчетов сечений фрагментации используются программные пакеты

GNASH [8], ALICE [9], STAPRE [10] и EMPIRE [11]. Эти программы отличаются друг от друга полнотой набора учитываемых ядерных процессов, используемыми моделями расчетов, параметрами моделей и т.д. В настоящей работе исследуются возможности программы TALYS.

Программа TALYS [7] является современным программным комплексом для реализации предравновесной модели ядерных реакций, включая метод связанных каналов, состоящий из ряда программных процедур. Отметим наиболее важные особенности пакета программы TALYS. Прежде всего эта программа является весьма полезным инструментом для расчета вкладов таких механизмов ядерной реакции, как прямые и предравновесные процессы, механизмы образования составного ядра и его деления. Программа позволяет получить достаточно надежное описание различных реакций в широкой области энергии налетающих частиц (0.001-200 МэВ) и массовых чисел (12 < A < < 238). Важной особенностью программы TALYS является объединение параметров современной оптической модели, как феноменологической, так и микроскопической, для многих ядер, а также интегрированный подход к описанию ядерных реакций в оптической модели и методом связанных каналов с помощью кода ECIS-06 [12]. В программе имеются различные феноменологические и микроскопические модели расчета плотности уровней, а также автоматические ссылки из базы данных IAEA Reference Input Parameter Library [13] на такие параметры структуры ядра, как масса, дискретные уровни, резонансы, параметры плотности уровней, параметры деформации, барьера деления и 7-спектров.

3. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ЯДЕР ОТДАЧИ

Программа ТАЬУБ, применяемая нами для анализа радиационных сбоев под действием космических частиц высокой энергии, позволяет рассчитывать кинетические спектры ядер отдачи в различных реакциях.

В программе определяется массив Р(2^,Ех, Ег ,6Г) распределений фрагментов (2, N), где 2 и N — число протонов и нейтронов в ядре-фрагменте, по энергии возбуждения Ех, кинетической энергии отдачи Ег и углу испускания 6Г относительно направления пучка в лабораторной системе (л.с.). Очевидным образом, массив Р(2, N, Ех ,ЕГ, 6Г) является частью полного заселения Р(2, N^3;), т.е.

Р (2^,Ех ) = Р (г^,Ех ,Ег ,6г). (1)

Ег 0г

Кинетическая энергия Е0 составного ядра (2с, N0) в л.с. задается формулой

Е°г = ^(Е% + 2МРЕР + М%) - МС, (2)

где Ер и Мр — кинетическая энергия и масса налетающей частицы в л.с., Мо — масса компаунд-ядра. Испускание частицы с массой сопровождается изменением кинетической энергии ядра отдачи (на этом этапе распада) с массой Мя. При этом скорость движения вылетающей частицы в л.с. vЛаб рассчитывается в соответствии с классическим соотношением

(3)

V,

лаб ej

V„

+ V,

ej

где vЦjм' — скорость частицы в системе центра масс (с.ц.м.) и vц.м. — скорость движения центра масс системы. Освобождающаяся при испускании частицы энергия ДЕ преобразуется в кинетическую энергию образующихся частиц. В с.ц.м.

1

1

АЕ = -ше^)2 + -Мк^)2, (4)

где vЦ.м. — скорость остаточного ядра в с.ц.м. Используя закон сохранения импульса в с.ц.м.

0 (5)

ц.м. | ц.м.

mej vej + mRVR

и формулы (4) и (5), получаем выражение

V

ц.м. _

ej

2

Mr

mej (mej + Mr)

AE,

(6)

совпадающее с классическим выражением скорости в с.ц.м.

12AE

V

ej

m

(7)

ej

при ^ Мя. С помощью соотношений (1)— (6) рассчитываются спектры эмитируемых легких частиц, протонов и нейтронов, а также спектр кинетических энергий более тяжелых фрагментов (2, N) — продуктов ядерных реакций.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ И ОБСУЖДЕНИЕ

4.1. Основные механизмы ядерных реакций на тяжелых элементах под действием космических протонов

Упругое рассеяние протонов на ядре мишени, в результате которого ядро получает энергию отдачи, является далеко не единственным, более того, не самым вероятным механизмом, приводящим к ядрам отдачи. На рис. 1 приведен результат расчета вкладов основных ядерных механизмов а(Ер) в реакции р + 63Си при энергиях протонов от 10 до

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА

945

о, мбн 103

102

101

100

50

100

150

200 Ер, МэВ

Рис. 1. Рассчитанные сечения ядерных процессов о'(Ер) при взаимодействии протонов с ядром 63Си: 1 — неупругое рассеяние, 2 — предравновесные процессы, 3 — процессы образования составного ядра, 4 — прямые ядерные реакции, 5 — упругое рассеяние.

200 МэВ. Поток протонов с этими энергиями наиболее интенсивен [14]. Видно, что в этом диапазоне энергий налетающих протонов упругое рассеяние протонов на ядре 63Си (кривая 5) практически полностью подавлено в конкуренции с неупругими ядерными процессами (кривая 1), так что упругим рассеянием можно пренебречь. Несколько большую вероятность имеют прямые ядерные реакции (кривая 4), т.е. прямое выбивание, подхват и т.д. нуклонов из ядра-мишени.

Как видно из рис. 1, в области энергий протонов ниже 50 МэВ значительный вклад дают реакции с образованием составного ядра (кривая 3), а при энергиях ниже 40 МэВ они доминируют. Эти процессы связаны с полным равновесным распределением энергии, вносимой протоном по доступным степеням свободы в составном ядре 6^п, и последующим "испарением" нуклонов и испусканием 7-квантов из "разогретого" составного ядра, движущегося со скоростью центра масс составной системы р + 63Си. Каждое испускание частицы из "горячего" ядра сопровождается дополнительным импульсом, передаваемым остаточному ядру в соответствии с законами сохранения энергии-импульса.

С увеличением энергии протонов вклад механизма составного ядра уменьшается по сравнению с вкладом конкурирующего механизма предравно-весных процессов (кривая 2).

4.2. Распределение фрагментов ядерных реакций по массе

В ядерной реакции энергия возбуждения ядра может быть исчерпана испусканием одной частицы, например, протона, что приведет к образованию остаточного ядра, такого же, как и ядро-мишень, либо испусканием нескольких частиц. В результате соударение протона с ядром-мишенью приведет к образованию спектра масс остаточных ядер.

Механизмы, обсуждавшиеся выше, приводят к тому, что в результате ядерной реакции последовательно с испусканием легких частиц образуются более тяжелые фрагменты. Необходимо учитывать, что испускание каскада легких частиц происходит за очень короткие времена, так что весь процесс укладывается в интервал менее 10_16 с. За это время ядро сместится на малое расстояние, много меньше одного межатомного расстояния в материале мишени, не вызвав никаких

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.

Показать целиком