质子在氮化镓中产生位移损伤的Geant4模拟

材料受到辐照时产生的位移损伤会导致其微观结构发生变化,从而使其某些使用性能退化,影响其使用效率,减短其使用寿命。利用Geant4模拟了质子在氮化镓中的输运过程,计算了1、10、100、500 MeV能量质子入射氮化镓材料产生的初级撞出原子的种类、能量信息及离位原子数。获得了10 MeV质子产生的位移缺陷分布;计算了4种能量质子入射氮化镓材料产生的非电离能量损失(NIEL);研究了质子产生位移损伤过程的影响要素。研究发现,入射质子能量对其在材料中产生的初级撞出原子的种类、能量、离位原子数等信息有着非常大的影响;单位厚度所沉积NIEL随着入射质子能量的增大而减小;10 MeV质子入射氮化镓所产生的离位原子数随入射深度的增加而增加,但在超出其射程范围以外有一巨大回落;能量并不是影响质子与氮化镓靶材料相互作用的唯一因素。     

Geant4模拟中子在碳化硅中产生的位移损伤

利用Geant4模拟了中子在碳化硅中的输运过程,计算了不同能量中子产生的位移缺陷数目,获得了14.1 MeV中子产生的位移缺陷分布。研究了中子产生位移损伤过程的影响要素,分析了弹性散射与去弹过程对位移损伤产生过程的贡献,并对中子各阶段反应产生的位移缺陷分布及对总体缺陷分布的影响进行了探讨。     

基于Geant4模拟的质子治疗束配系统的束流光学设计

质子治疗中为减小对肿瘤周围正常组织的损伤而对病人进行多角度照射时,通常采用旋转机架传输质子束流并且要求束流在旋转机架等中心处形成圆束斑。而同步加速器引出束流具有明显的不对称特点给等中心处圆束斑的实现带来困难。分别针对在旋转机架入口的真空窗处满足圆束流法、等中心处满足圆束流法和不采用圆束流法等三种方案进行了束流光学设计,并利用蒙特卡罗软件Geant4模拟分析不同方案下束流经过旋转机架、治疗头和人体在等中心处形成的束斑。结果表明,三种束流光学设计方案中束流在旋转不同角度情况下在等中心处的束斑均接近圆形,在采用圆束流法的两种方案中实际束流分布与圆束斑的差异相对较小。     

基于Geant4模拟质子在半导体Si材料中的NIEL值

利用蒙特卡洛软件GEANT4模拟了质子对半导体Si材料的位移损伤效应的能量损失.根据反冲原子的能量,引入反冲原子能量Lindbard-Robinson-Akkerman分离函数,模拟结果表明10MeV-1 GeV能量范围内的质子位移能量损失值和Jun、Summers等结果吻合较好.     

Geant4在核技术领域的应用

Geant4是欧洲核子中心主导开发的一套用于Monte Carlo模拟的开发程序包。本工作通过几个计算实例介绍了Geant4程序在核技术领域中的应用，表明Geant4不仅能够用于高能物理模拟，同时也可以应用于核技术领域的其他方面。     

Geant4模拟1.6GeV质子的输运过程

高能质子具有较强的穿透能力,可以透射物体形成图像。为了理清质子透射物体的物理过程,通过Geant4蒙特卡洛软件模拟了1.6 GeV能量的质子在材料中的输运过程。通过设置模拟程序中的物理模型,对质子与物质的四种相互作用分别进行了模拟计算。计算结果表明,个数衰减、能量损失和散射角分布都可以反映被检测物体的面密度和材料组分的信息。     

Geant4在核技术领域的应用

Geant4是欧洲核子中心主导开发的一套用于Monte Carlo模拟的开发程序包.本工作通过几个计算实例介绍了Geant4程序在核技术领域中的应用,表明Geant4不仅能够用于高能物理模拟,同时也可以应用于核技术领域的其他方面.     

基于Geant4的正比计数器能量响应分析

重点研究了圆柱形正比计数器对不同能量γ射线的响应情况,利用蒙特卡罗方法计算了各能量 γ射线在计数器中的沉积能量值,鉴于气体中原子电离的统计涨落特性,在沉积能量的基础之上利用统计学方法简单计算了原子电离所产生的离子对数,并将其近似为计数器的能量响应情况.提供了一种正比计数器能量响应的分析方法,并利用这种方法分析了正比计数器的能量响应特性.     

Geant4不同物理模型对放疗质子束模拟的影响

Monte Carlo方法常用于质子束剂量模拟以优化质子束临床治疗,合适的物理模型选择关系到Monte Carlo模拟结果的可靠性及模拟效率。本工作选取9个可用于质子模拟的Geant4物理模型,计算比较了质子束在多种介质中的剂量及次级粒子产额。结果表明:标准电磁物理模型、低能电磁Penelope模型和Livermore模型虽在模拟质子整体剂量分布上可接受,但在微观上缺失重粒子生成。参数化驱动模型LHEP的模拟时间最短,但与QGSP相同,均不能产生复杂重离子。QGSP_BIC_EMY模型较其他模型明显低估Bragg峰-入口剂量比和绝对剂量。QGSP_BERT模型、QGSP_BIC模型和FTFP_BERT模型较适合放疗质子束模拟。     

基于GEANT4模拟分析不同能量质子在CMOS APS中的位移损伤研究

本文针对图像传感器在空间辐射环境中电学性能退化问题,采用蒙特卡罗方法基于互补金属氧化物半导体（CMOS）APS器件建立几何模型,开展不同能量质子与靶原子的相互作用过程研究。通过研究不同能量质子辐照下初级碰撞原子的能谱分布及平均位移损伤能量沉积随质子能量的变化,讨论不同能量质子及空间站轨道质子能谱下在CMOS APS器件中位移损伤的差异。计算结果表明：随着入射质子能量的增大,辐照产生的初级碰撞原子的最大能量及核反应产生的初级碰撞原子（PKA）对位移损伤能量沉积的贡献逐步增加;对于大于1 MeV的质子辐照,CMOS APS器件中位移损伤研究可忽略氧化层的影响;不同能量的质子和CREME96程序中空间站轨道质子能谱下器件中位移损伤能量沉积分布结果显示,35 MeV质子与该空间站轨道质子能谱在器件敏感区中产生的总位移损伤能量沉积相近。该工作对模拟空间站轨道质子辐照下电子器件暗电流增长研究中辐照实验的能量选择,提供了参考依据。     

γ全吸收型探测装置中子束流监视器的Geant4模拟

利用Geant4模拟了γ全吸收型探测装置中用于中子束流监视的锂玻璃探测器的相对探测效率,给出了锂玻璃探测器在10keV～1MeV区间的中子探测效率,并对影响探测效率的相关因素进行了分析,讨论了弹性散射引起的时间滞后对TOF(time-of-flight)测量的影响和不同厚度锂玻璃探测器的n-γ分辨效果。在未来使用锂玻璃探测器作为keV中子源监视器时,这项工作将为更好地理解相关中子飞行时间谱和能谱提供依据。     

InGaAsP器件质子位移损伤等效性研究

对基于非电离能量损耗（NIEL）的位移损伤等效性研究方法进行了讨论,计算了不同能量质子在InGaAsP材料中的NIEL。利用解析方法对库仑散射引起的NIEL进行了计算,分析了不同库仑散射模型的适用范围,并利用Monte-Carlo方法对核反应引起的NIEL进行了计算。以InGaAsP多量子阱激光二极管为研究对象,开展了4、5和8 MeV质子辐照实验,获得了激光二极管的阈值电流损伤系数。研究结果表明：实验用不同能量质子辐射环境下的阈值电流损伤系数测试结果与NIEL理论计算结果之间呈线性关系。     

多晶体γ探测器相互影响的蒙特卡洛数值模拟

本文用基于Geant4的蒙特卡洛方法模拟得到多晶体航空γ能谱仪对近似无限大γ面源的能量沉积谱,分析了航空γ能谱仪各条晶体的谱线差异,并研究了不同能量的地面γ辐射在上层晶体中形成谱线的变化规律,以及对环境氡气校正的影响,为多晶体航空γ能谱测量谱线解析提供了理论基础。     

基于Geant4-DNA工具包的单能电子微剂量学模拟研究

应用Geant4－DNA工具包分析和评估了不同物理过程影响因素对低能电子在液态水中的影响,为建立放射治疗与辐射防护所关心的微剂量学基本数据库提供理论支撑。在最新版本的Geant4中,Geant4-DNA工具包中共有7个物理模型可模拟电子在液态水中的输运。根据不同模型的特点,本文选择其中5个适用的模型来模拟单能入射电子(0.1～20 keV)在液态水中的输运过程;比较各模型记录的径迹结构具体信息,包括相互作用过程总次数、电离和激发次数及相应沉积能量占比等;分析Geant4-DNA选项模型、抽样位点小球半径及相互作用过程等因素对线能均值的影响。模拟结果显示:“option0”与“option2” 之间、“option4”与“option5”之间的模拟结果基本吻合;由于各个模型相互作用截面的不同,“option2”、“option4”和“option6”的径迹信息及线能均值均存在差异;模型对线能均值的影响随着抽样位点小球半径的增大而减小。本工作通过设置不同输运控制条件较全面地比较了Geant4-DNA工具包中的不同选项模型,对用户根据需要选择合适的模型模拟单能电子有帮助和指导作用,为完善电子在液态水中的微剂量学数据库并用于评估电离辐射在微观尺度的生物学效应提供依据。     

中子活化分析非弹性散射与俘获时间分布的Geant4模拟

利用蒙特卡罗程序包Geant4,模拟了14 Me V中子在水、聚乙烯、碳酸钙和氧化铁4种不同介质中的非弹性散射时间与俘获时间;通过分析脉冲宽度为10μs的14 Me V脉冲中子在这4种不同介质中的非弹性散射与俘获时间分布,得到非弹性散射与俘获时间门的宽度;利用得到的非弹性散射与俘获时间门,获得了14 Me V脉冲中子在聚乙烯介质中的净非弹性散射γ谱与净俘获γ谱。     

Geant4 used in medical physics and hadrontherapy technique

1 Introduction In recent years, Geant4, a toolkit designed ini- tially for simulating nuclear and high-energy physics experiments, has been widely used in several analysis including radiation analysis, space and cosmic ray analysis and, more recently, medical oncology analysis and evaluations [1]. The toolkit is based on the ob- ject-oriented technology. It provides transparency for implementation of various physics parameters. Geant4 includes a complete range of functionality including track…