新型3D合金屏蔽效能的MCNP模拟

2020-07-18刘珉强朱小锋杜川华

吉林大学学报（理学版） 2020年4期

刘珉强, 朱小锋, 杜川华

(中国工程物理研究院电子工程研究所, 四川绵阳 621000)

在某些强辐射环境下运行的电子系统, 需考虑X射线辐射屏蔽加固问题[1-4], 以延长电子系统的使用寿命. 一方面, 通常用高原子序数Z材料屏蔽X射线[4-6], 由于电子器件的尺寸逐渐减小及系统集成度越来越高, 在确保满足屏蔽的前提下, 需减小屏蔽材料的体积和质量, 因此对屏蔽材料的屏蔽效能提出了更高要求. 另一方面, 随着3D增材制造技术的发展, 与传统粉末冶金工艺相比, 3D打印为零部件提供了高效、高质的制造方法[7-10]. 针对实现高屏蔽效能3D印合金的研制目标, 需开展基于3D打印选材的新型合金材料屏蔽性能仿真研究, 分析合金选型和组分设计对合金屏蔽效能的影响规律, 以缩短设计周期并减少研制成本.

本文采用Monte Carlo程序(MCNP)模拟研究基于3D打印选材的新型合金屏蔽性能, MCNP可真实再现粒子在三维空间中的输运过程, 且方便改变各种实验条件, 仿真结果获取周期短、成本低[11]. 本文针对低能X射线(20～100 keV高斯分布, 峰值在60 keV处), 用MCNP模拟研究基于3D打印选材的不同掺杂组分及不同掺杂质量分数合金的屏蔽性能, 分析合金掺杂质量分数、掺杂组分及掺杂组分与基体材料原子序数差值ΔZ对合金屏蔽性能的影响, 并对模拟结果进行实验验证, 为新型3D打印合金选材提供参考.

1 方法与模型

图1 屏蔽效能计算模型

屏蔽效能计算模型如图1所示. 该模型的单向平面源半径为2.5 cm, 由左向右入射, 屏蔽体距离源10 cm, 厚度为d, 探测体为半径1 cm、厚度0.1 cm的Si圆柱(电子器件材料通常为半导体Si), 记录低能X射线能量沉积.

针对低能X射线(20～100 keV高斯分布, 峰值在60 keV处), 在合金面密度为0.5 g/cm2的条件下, 模拟研究： 1) 在合金掺杂质量分数相同的条件下, 不同掺杂组分(Al,Fe,Cu,W)合金的屏蔽效能； 2) 在合金掺杂组分相同的条件下, 不同掺杂质量分数(0～40%)合金的屏蔽效能； 3) 合金掺杂组分与基体材料原子序数差值(ΔZ)变化对合金屏蔽效能的影响.

2 模拟结果

2.1 不同掺杂质量分数下不同合金的屏蔽效能合金(TaW,TaCu,TaFe,TaAl,FeCu,FeTa, 元素符号在前的组分为基体, 在后的组分为掺杂)的面密度为0.5 g/cm2, 模拟计算不同掺杂质量分数(0,5%,10%,12%,16%,20%,25%,30%,40%)下合金的屏蔽效能, 结果如图2所示, 其中，

图2 不同掺杂质量分数-屏蔽效能曲线

由图2可见：当合金掺杂质量分数相同, 基体为Ta金属时, TaW合金屏蔽效能最好, 随着掺杂组分原子序数的减小, TaCu,TaFe,TaAl合金屏蔽效能依次减弱；当基体为Fe金属时, FeTa合金的屏蔽效能优于FeCu合金；对掺杂组分原子序数>基体材料原子序数的合金(TaW,FeCu,FeTa), 随着掺杂质量分数的增大, 合金的屏蔽效能变强, 如FeTa合金掺杂质量分数由5%分别增加到10%,20%,30%,40%, 屏蔽效能分别增加4.3%,11.4%,17.2%,22%；对掺杂组分原子序数<基体材料原子序数的合金(TaCu,TaFe,TaAl), 随着掺杂质量分数的增大, 合金屏蔽效能变弱, 如当TaCu合金掺杂质量分数由5%分别增加到10%,20%,30%,40%时, 屏蔽效能分别减小0.8%,2.5%,4.5%,6.9%, 这是由于在面密度相同的条件下, 单质的原子序数越大, 其屏蔽效能越强所致, 因此合金屏蔽效能随掺杂质量分数的变化趋势与掺杂组分原子序数有关；在掺杂质量分数小于40%的条件下, TaW的屏蔽效能最好, 为86.06%～86.45%, FeCu的屏蔽效能最差, 为43.2%～46.8%.

2.2 掺杂组分与基体材料原子序数差值对合金屏蔽效能的影响为表征屏蔽效能受影响的程度, 定义

掺杂组分与基体材料原子序数差值ΔZ=掺杂组分原子序数-基体材料原子序数.

对不同合金(TaW,TaCu,TaFe,TaAl,FeCu,FeTa)、不同掺杂质量分数(0,5%,10%,12%,16%,20%,25%,30%,40%)下的屏蔽效能数据进行处理, 将其转化为合金屏蔽效能变化量, 结果如图3所示. 当合金掺杂质量分数为5%,20%,30%,40%时, 屏蔽效能变化量与ΔZ的关系如图4所示.

图3 掺杂质量分数-屏蔽效能变化曲线

图4 ΔZ-屏蔽效能变化曲线

由图3和图4可见：对掺杂质量分数相同的TaW,FeCu,FeTa三种合金, 其掺杂组分原子序数>基体材料原子序数, TaW合金屏蔽效能正向变化量最小, 随着ΔZ的增大, FeCu和FeTa合金屏蔽效能正向变化量依次增大, 且变化幅度与掺杂质量分数呈正相关；对掺杂质量分数相同的TaCu,TaFe,TaAl三种合金, 其掺杂组分原子序数<基体材料原子序数, TaCu合金屏蔽效能负向变化量最小, 随着ΔZ的减小, TaFe和TaAl合金屏蔽效能负向变化量依次增大, 且变化幅度与掺杂质量分数呈正相关, 这是由于在面密度相同的条件下, 掺杂组分与基体材料原子序数差值ΔZ越小, 二者单质的屏蔽效能越接近, 因此合金的原子序数差值ΔZ越小, 合金的屏蔽效能变化量越小；在掺杂质量分数相同(<40%)的条件下, TaW屏蔽效能变化量最大为0.46%, FeTa屏蔽效能变化量最大为61.44%, 因此, 合金掺杂质量分数对TaW屏蔽效能影响最小, 对FeTa影响最大.

3 模拟结果验证

基于荧光谱仪产生的不同低能X射线(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)对掺杂质量分数12%、厚度为0.3,0.5 mm的TaW合金进行透射率测试及MCNP模拟仿真, 并将模拟结果与实验结果进行对比, 结果分别如图5和图6所示. 由图5和图6可见, 考虑到合金厚度的测量精度(0.1 mm)与合金厚度的不均匀性引入的误差, 在误差允许范围内, MCNP模拟计算结果与实验数据基本一致, 表明模拟方法合理可行.