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Predicting proton-nucleus total reaction cross sections up to 300 MeV using a simple functi

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arXiv:nucl-th/0212051v1 12 Dec 2002Predictingproton-nucleustotalreactioncrosssectionsupto300MeVusingasimplefunctionalform

P.K.Deb∗andK.Amos†SchoolofPhysics,TheUniversityofMelbourne,Victoria3010,Australia(Dated:February8,2008)AbstractTotalreactioncrosssectionsarepredictedforprotonscatteringfromvariousnuclei.Asimplefunctionalformhasbeenusedthatreproducesthetotalreactioncrosssectionsforthescatteringofprotonsfrom(15)nucleispanningthemassrangefrom9Beto238Uandforprotonenergies10to300MeV.

PACSnumbers:25.40.-h,24.10.Ht,21.60.CsI.INTRODUCTIONReactioncrosssectionsfromthescatteringofnucleonsbynuclei(stableandradioactive)arerequiredinanumberoffieldsofstudy;somebeingofquitecurrentinterest[1].Thosefieldsrangefromproblemsinbasicsciencethroughmanyofappliednature.Anexampleofthelatteristhetransmutationoflonglivedradioactivewasteintoshorterlivedproductsusingacceleratordrivensystems(ADS).Aswell,proton-nucleus(p-A)crosssectionvaluesatenergiesto300MeVormoreareneedednotonlytospecifyimportantquantitiesofrelevancetoprotonradiationtherapy[2],butalsoastheyarekeyinformationinassessingradiationprotectionforpatients.Asanexampleinbasicscience,totalreactioncrosssectionsareimportantingredientstoanumberofproblemsinastrophysics.Alsotheintegralobserv-ableofprotonscatteringfromagivennucleusgivesdirectinformationontheneutronrootmeansquareradiusinnuclei[3];apropertysoughtinparity-violatingelectronscatteringexperiments[4].Itwouldbeveryutilitarianifaspectsofsuchscatteringwerewellapproximatedbyasimpleconvenientfunctionalform.Recentlyithasbeenshown[8]that,forneutrontotalreactioncrosssections,suchaformmayexist.Hereinweconsiderthatconceptfurthertoreproducethemeasuredtotalreactioncrosssectionsfromprotonscatteringforenergiesrangingfrom10MeVto300MeV,andfrom15nucleiranginginmassfrom9to238.

II.FORMALISMThetotalreactioncrosssectionsforprotonscatteringfromnucleicanbeexpressedintermsofpartialwavescattering(S)matricesspecifiedatenergiesE∝k2,by

S±l≡S±l(k)=e2iδ±l(k)=η±l(k)e2iℜ[δ±l(k)],(1)whereδ±l(k)arethe(complex)scatteringphaseshiftsandη±l(k)arethemodulioftheSmatrices.Thesuperscriptdesignatesj=l±1/2.Totalreactioncrosssectionsthenfollowfrom

σR(E)=π

k2

∞󰀇

l=0σ(R)l(E).(2)

Despitethesuccesseswithuseoftheg-foldingapproachtodefineNAopticalpotentials[6],wenotethattherearediscrepanciesbetweenthepredictionsoftotalreactioncrosssectionsfoundtherebyandactualdata.Thoseusuallyareduetolimitationswiththestructuremodelusedtodescribethegroundstatedensitiesofsomenuclei.However,therehavebeensomanysuccesseswiththeapproach[1,5,6,7]thatwebelievethefunctionalformdevelopedhereonthebasisofmatchingthevaluesobtainedwithg-foldingpotentialsarepertinentinitialguessestostartarefinement(oftheparametervalues)toreproduceactualmeasuredtotalreactioncrosssections.Asevidentfromthefigurespresentedinarecentpaper[8],thepartialtotalreactioncrosssections,σ(R)l(E),canbedescribedbythesimplefunctionalform,

σ(R)l(E)=(2l+1)󰀁1+e(l−l0)a󰀁1+e(l−l0)withl0(E,A),a(E,A),andǫ(E,A)varyingsmoothlywithenergyandmass.Thesummationgivingthetotalreactioncrosssectioncanbelimitedtoavaluelmaxandtheassociatedformtendsappropriatelytotheknownhighenergylimit.Withincreasingenergy,lmaxbecomessolargethattheexponentialfallofthefunctionalform,Eq.3,canbeapproximatedasastraightverticalline(l0=lmax).Inthatcase,thetotalreactioncrosssectionequatestotheareaofatriangle,and

σR⇒πk2l2max.(4)Thenwithlmax∼kR,athighenergiesσR⇒πR2;(5)thegeometriccrosssectionasrequired.

III.RESULTSANDDISCUSSIONSAlthoughonusingEqs.2and3tomatchvaluesof(theoretically)calculatedtotalreactioncrosssectionsled[8]tothethreeparametersl0(E,A),a(E,A),andǫ(E,A)havingsmoothvariationswithenergy,therearediscrepanciesbetweenthosepredictionsandtheactualmeasureddata.Hereinwemodifythemethodofselectionofthoseparametervaluestoproducemoreaccuratereactioncrosssectionvalues,whilekeepingassmoothavariationwithenergyofthoseparametersaspossible.Specifically,inEq.3,wehavesettheǫasaconstant(−1.5)andsoindependentofenergyandofmass.Furtherweassumethata(E,A)varieslinearlywiththewavevector,

k=1E2−m2c4,(6)andwiththeforma(E,A)∼1.02k−0.25.(7)

Thenl0(E,A)wereadjustedtoensurethatallmeasuredtotalreactioncrosssectionvaluesarematchedbyusingthefunctionform,Eq.3.Theresultantoptimizedvaluesfortheparameterl0arepresentedinFig.1.Inthisfigure,thepointsrepresentthecalculatedvaluesofl0atparticularenergieswheretheexperimentalvaluesoftotalreactioncrosssectionsareavailablefortheconsiderednuclei.Wehaveusedthelowerandupperuncertaintylimitstogettheerrorbarsforl0values.Wecallthesel0valueswithuncertaintiesas”data-l0”hereafter.Thecurvesresultonusingasplineinterpolationonthosedatapointsconstrainedtogiveanoptimalsmoothnessvariationofl0(E,A)withE.Thefiguredisplaystheresultsfortheentireenergyrange(to300MeV)inthelefthandpanels,whiletherighthandpanelsemphasizethelowenergyvariationsto50MeVsincemostexperimentalvalueslieinthatrangeofenergy.Inpanel(a)ofFig.1,thesolid,dotted,dashed,long-dashed,anddot-dashedlinesdepictthevaluesfor9Be,12C,16O,19F,and27Alrespectively,asdocircles,squares,diamonds,uptrianglesanddowntrianglesforthedata-l0results.Thesamelegendsapplytothe10to50MeVplotsshowninpanel(b).Inpanels(c)and(d),theenergyvariationsofl0valuesfor40Ca,63Cu,90Zr,118Sn,and140Cearepresentedbysolid,dotted,dashed,long-dashedanddot-dashedlinesrespectively.Thecorrespondingdata-l0pointsarealsopresentedby

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Geant4模拟质子入射InP产生的位移损伤

Geant4模拟质子入射InP产生的位移损伤

第19卷 第1期 太赫兹科学与电子信息学报Vo1.19，No.1 2021年2月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Feb.，2021 文章编号：2095-4980(2021)01-0176-05Geant4模拟质子入射InP产生的位移损伤白雨蓉，贺朝会，谢 飞，李永宏，臧 航(西安交通大学核科学与技术学院，陕西西安 710049)摘 要：磷化铟(InP)作为重要的第二代半导体材料，禁带宽度大，电子漂移速度快，抗辐照性能比Si,GaAs好，可作为制备空间飞行器上电学器件的备选材料。

随着半导体器件的尺寸纳米化，空间环境中低能质子辐照元件所导致的位移损伤成为影响元件电学性能的主要因素之一。

本文使用Geant4模拟得到低能质子入射InP产生的初级撞出原子(PKA)种类及占比和不同能量质子的非电离能量损失(NIEL)的深度分布。

结果表明：质子俘获和核反应的概率随质子能量的增加而增加，进而使弹性碰撞产生的反冲原子In,P的占比减少，其他反冲原子占比增加；NIEL峰值随质子能量的增加而降低，且NIEL峰有向前移动的趋势，即随着质子能量增加，位移损伤严重区域逐渐由材料末端移至材料表面。

关键词：非电离能量损失模型；Geant4；空间质子辐射；磷化铟中图分类号：TN304.2＋3文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2019383Geant4 simulation of displacement damage induced by proton irradiation in InPBAI Yurong，HE Chaohui，XIE Fei，LI Yonghong，ZANG Hang(School of Nuclear Science and Technology，Xi’an Jiaotong University，Xi’an Shaanxi 710049，China)Abstract：As an important second-generation semiconductor material, indium phosphide has wide bandgap, fast electron drift and better radiation resistance than Si and GaAs. It can be used as analternative material for the preparation of electrical devices on space vehicles. With the nano-size ofsemiconductor devices, the displacement damage caused by low-energy proton irradiation in spaceenvironment is one of the main factors affecting the electrical properties of components. In this paper, thetypes and proportions of Primary Knock-on Atom(PKA) produced by low energy protons irradiation and thedepth distribution of Non-Ionizing Energy Loss(NIEL) of protons with different energies are obtained byGeant4 simulation. The results show that the probability of proton capture and nuclear reaction increaseswith the increase of proton energy, which decreases the proportion of recoil atoms In and P and enhancesother recoil atoms in elastic collision. The NIEL peak tends to move forward in depth of the bulk materialwith the increase of proton energy, which means the area of serious displacement damage gradually shiftsfrom the end of the material to the surface of the material.Keywords：Non-Ionizing Energy Loss；Geant4；space proton irradiation damage；InP对半导体器件的位移损伤研究始于20世纪70年代，主要以地面辐照试验为主，M Yamaguchi, R J Walters 等[1-4]对InP,GaAs,GaN等III-V族化合物半导体材料做了一系列的粒子束辐照实验，得到位移损伤对III-V族半导体器件电学性能的影响规律。

质子内部结构 量子色动力学

质子内部结构 量子色动力学

质子内部结构量子色动力学质子是构成原子核的基本粒子之一，它的内部结构一直是科学家们关注的重要问题之一。

通过研究质子的内部结构，可以更深入地了解物质的基本组成和性质。

量子色动力学是研究强相互作用的理论，也是解释质子内部结构的重要工具。

量子色动力学是由美国物理学家费曼、格拉什和魏茨伯格于20世纪70年代提出的，它描述了夸克之间通过交换胶子相互作用的规律。

夸克是构成质子的基本粒子，它们有不同的颜色电荷，分别为红、绿、蓝三种。

质子由三个夸克组成，其中两个夸克的颜色电荷为红色，一个夸克的颜色电荷为绿色。

夸克之间通过交换胶子（即胶子的色电荷）相互作用，形成了强相互作用。

在质子内部，夸克之间的相互作用非常复杂，常常被描述为一种“色力场”。

夸克之间的相互作用强度非常大，远远超过电磁相互作用和弱相互作用。

这也是为什么在实验室中很难将夸克单独提取出来的原因。

夸克之间的相互作用力非常强，它们会不断地进行交换，从而形成了质子的稳定结构。

通过实验观测和理论计算，科学家们对质子内部结构有了更加深入的认识。

实验表明，质子的大小约为 1.67×10^-15米，质量约为1.67×10^-27千克。

而理论计算则进一步揭示了质子内部的复杂性。

根据量子色动力学的描述，质子内部的夸克和胶子相互作用形成了一种复杂的结构，称为“夸克-胶子海”。

夸克和胶子不仅在空间位置上存在，而且在时间上也存在着波动和涨落。

这种波动和涨落导致质子的内部结构不断地变化着，形成了一种动态的图像。

量子色动力学还揭示了质子内部存在着海量的虚胶子对。

虚胶子对是一种短暂存在的粒子对，它们以极快的速度在夸克之间产生和湮灭。

这种虚胶子对的产生和湮灭不断地在质子内部发生，为质子的稳定性和结构提供了重要支撑。

总结起来，质子的内部结构是由夸克和胶子相互作用形成的复杂系统。

量子色动力学提供了解释和描述质子内部结构的理论框架，它揭示了质子内部存在着强相互作用、波动涨落和虚胶子对等重要现象。

中子小角度衍射

中子小角度衍射

中子小角度衍射中子小角度衍射（Small Angle Neutron Scattering，简称SANS）是一种用于研究材料的非常强大的技术工具。

它能够提供关于材料结构和形状的信息，帮助科学家们理解材料的微观特性和相互作用。

中子是质量稍大于质子的无电荷粒子，它在物质中的相互作用通常比电子射线更弱。

因此，中子能够穿透较厚的样品，并且对样品的结构和动力学提供更详细的信息。

在SANS实验中，中子通过样品，通过相互散射的方式传播到相探测器。

通过分析中子的散射模式和强度，科学家们能够确定样品的结构和形状。

SANS作为一种静态扫描技术，可以用于研究各种不同类型的材料，包括聚合物、液体晶体、纳米颗粒等。

由于中子在物质中的散射受到原子核的散射和磁偶极散射的双重影响，SANS可以提供对材料的多种信息，例如粒子的尺寸、形状、分布等。

中子小角度衍射的实验通常在中子散射设备上进行。

这些设备通常利用中子源，如核反应堆或加速器产生的中子束。

中子束经过减速器和减震系统，使其成为小角度衍射所需的低分散度和低能量的中子。

样品通常位于一个旋转台上，通过旋转样品可以获得多个角度的散射数据。

相探测器位于样品后方，用于测量散射的中子，从而得到有关样品的结构信息。

分析SANS实验数据需要使用复杂的数学和计算方法。

一种常用的数据分析方法是Guinier分析。

Guinier分析通过绘制散射强度随散射矢量的平方根的对数作为横坐标，从而确定样品中的粒子尺寸。

另一种方法是模型拟合方法，可以根据不同的模型函数对散射数据进行拟合，进一步获得关于样品形状和分布的信息。

SANS技术在材料科学和生物科学领域发挥着重要的作用。

在材料科学中，SANS可以用于研究纳米颗粒、块体材料和液体晶体的结构和形态。

它能够帮助科学家们设计新材料，优化材料性能，并提供有关材料制备、加工和性能之间相互关系的重要信息。

在生物科学中，SANS可以用于研究生物分子的结构和形状，例如蛋白质、核酸和细胞膜。

质子发现的核反应方程

质子发现的核反应方程

质子发现的核反应方程
一、背景介绍
质子是构成原子核的基本粒子之一，具有正电荷，质量约为1.007276 u。

质子的发现是通过核反应实验得到的。

二、实验过程
1917年，英国物理学家Rutherford在实验中发现了氮原子核的裂变
现象，即氮原子核被α粒子击中后会裂变成氧和氢两种元素。

1920年，他又发现了另一种核反应，即氢原子核与氮原子核相撞后会形成氧和
氢两种元素。

这些实验表明，原子核不仅可以裂变，还可以合并。

1929年，美国物理学家Cockcroft和Walton利用高压电场加速质子，并将其射向锂靶。

结果发现，在靶内发生了一个新的核反应：质子与
锂原子核相撞后会产生两个α粒子和能量。

这个实验证明了质子是存
在于原子核中的基本粒子之一。

三、质子发现的核反应方程
1. 氮裂变反应方程：
14N + α → 17O + p
其中，“α”表示α粒子，“p”表示质子。

2. 氢与氮合并反应方程：
1H + 14N → 15O + γ
其中，“γ”表示光子。

3. 质子与锂合并反应方程：
1H + 7Li → 2α + 17.3 MeV
其中，“MeV”表示兆电子伏特。

四、质子发现的意义
质子的发现为核物理学的发展奠定了基础，同时也为人类探索原子核结构和核能利用提供了重要的实验依据。

此外，质子还是医学上广泛应用的粒子之一，例如在放射治疗中，利用高能质子束可以精确地照射肿瘤组织，最大限度地减少对健康组织的损伤。