ПКА (облучение)

В физике конденсированного состояния первичный выбитый атом ( ПКА ) — это атом , который вытесняется из своего решетки узла в результате облучения ; по определению, это первый атом, с которым падающая частица сталкивается в мишени. После смещения из исходного узла решетки ПКА может вызвать последующие смещения узлов решетки других атомов, если он обладает достаточной энергией ( пороговая энергия смещения ), или остановиться в решетке в межузельном узле, если это не так ( межузельный узел). дефект ).

Большинство смещенных атомов в результате электронного облучения и некоторых других типов облучения представляют собой ПКА, поскольку их энергия смещения обычно ниже пороговой и, следовательно, не обладает достаточной энергией для смещения большего количества атомов. В других случаях, таких как облучение быстрыми нейтронами , большая часть смещений возникает в результате столкновений ПКА с более высокими энергиями с другими атомами, когда они замедляются до состояния покоя . ^{[ 1 ]}

Модели столкновений

Атомы могут смещаться только в том случае, если при бомбардировке полученная ими энергия превышает пороговую энергию $E d$ . будут иметь энергию больше $E d$ Аналогично, когда движущийся атом сталкивается с неподвижным атомом, оба атома после столкновения $только в том случае, если исходный движущийся атом имел энергию, превышающую 2 E d$ . Таким образом, только ПКА с энергией больше $2 E d$ могут продолжать смещать больше атомов и увеличивать общее число смещенных атомов. ^{[ 1 ]} В тех случаях, когда ПКА обладает достаточной энергией для смещения дальнейших атомов, та же истина справедлива для любого смещенного впоследствии атома.

При любом сценарии большинство смещенных атомов покидают свои узлы решетки с энергиями не более чем в два-три раза $E d$ . Такой атом будет сталкиваться с другим атомом примерно на каждом среднем пройденном межатомном расстоянии, теряя половину своей энергии во время среднего столкновения. Если предположить, что атом, который замедлился до кинетической энергии 1 эВ, оказывается захваченным в междоузлии, смещенные атомы обычно будут захвачены не более чем на несколько межатомных расстояний от вакансий, которые они оставляют после себя. ^{[ 1 ]}

Существует несколько возможных сценариев развития энергии ПКА, которые приводят к различным формам ущерба. В случае бомбардировки электронами или гамма-лучами ПКА обычно не обладает достаточной энергией для смещения большего количества атомов. Возникающие повреждения представляют собой случайное распределение дефектов Френкеля , обычно на расстоянии не более четырех-пяти межатомных расстояний между межузельем и вакансией. Когда ПКА получают энергию, превышающую $E d$ от бомбардирующих электронов, они способны смещать больше атомов, и некоторые из дефектов Френкеля становятся группами межузельных атомов с соответствующими вакансиями на расстоянии нескольких межатомных расстояний друг от друга. При бомбардировке быстродвижущимися атомами или ионами образуются группы вакансий и межузельных атомов, широко разнесенные по траектории атома или иона. По мере замедления атома сечение образования ПКА увеличивается, в результате чего в конце трека концентрируются группы вакансий и междоузлий. ^{[ 1 ]}

Модели повреждений

Термический всплеск — это область, в которой движущаяся частица нагревает материал, окружающий ее путь в твердом теле, в течение времени порядка 10 раз. ⁻¹² с. На своем пути ПКА может вызывать эффекты, аналогичные эффектам нагрева и быстрой закалки металла, что приводит к дефектам Френкеля. Термический пик не длится достаточно долго, чтобы обеспечить отжиг дефектов Френкеля. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

Другая модель, называемая пиком смещения, была предложена для бомбардировки тяжелых элементов быстрыми нейтронами. При использовании ПКА с высокой энергией затронутая область нагревается до температур, превышающих точку плавления материала, и вместо рассмотрения отдельных столкновений можно считать, что весь затронутый объем «плавится» в течение короткого периода времени. Слова «расплав» и «жидкость» используются здесь широко, поскольку неясно, будет ли материал при таких высоких температурах и давлениях жидким или плотным газом. При плавлении бывшие междоузлия и вакансии становятся «флуктуациями плотности», поскольку окружающие их узлы решетки в жидкости уже не существуют. В случае теплового скачка температура недостаточно высока, чтобы поддерживать жидкое состояние достаточно долго, чтобы флуктуации плотности расслабились и произошел межатомный обмен. Быстрый эффект «закалки» приводит к образованию пар «вакансия-межузель», которые сохраняются в течение плавления и повторного затвердевания. К концу пути ПКА скорость потерь энергии становится достаточно высокой, чтобы нагреть материал значительно выше его точки плавления. При плавлении материала происходит обмен атомами в результате хаотического движения атомов, инициируемого релаксацией локальных напряжений от флуктуаций плотности. Это высвобождает запасенную энергию этих деформаций, что еще больше повышает температуру, сохраняя жидкое состояние на короткое время после исчезновения большей части флуктуаций плотности. В течение этого времени турбулентные движения продолжаются, так что при повторном затвердевании большая часть атомов займет новые узлы решетки. Такие области называются пиками смещения, которые, в отличие от тепловых пиков, не сохраняют дефекты Френкеля. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

Основываясь на этих теориях, на пути ПКА должны быть две разные области, каждая из которых сохраняет различную форму повреждения. Термический всплеск должен произойти на более ранней части пути, и эта высокоэнергетическая область сохраняет пары вакансия-межузельный узел. К концу пути должен быть всплеск смещения, область с низкой энергией, где атомы перемещаются в новые узлы решетки, но пары вакансия-межузель не сохраняются. ^{[ 2 ]}

Каскадный урон

Структура каскадного повреждения сильно зависит от энергии ПКА, поэтому энергетический спектр ПКА следует использовать как основу для оценки микроструктурных изменений при каскадном повреждении. В тонкой золотой фольге при меньших дозах бомбардировки взаимодействия каскадов незначительны, и как видимые кластеры вакансий, так и невидимые области, богатые вакансиями, формируются в результате последовательностей каскадных столкновений. Было обнаружено, что взаимодействие каскадов при более высоких дозах приводит к образованию новых кластеров рядом с существующими группами кластеров вакансий, по-видимому, превращая невидимые области, богатые вакансиями, в видимые кластеры вакансий. Эти процессы зависят от энергии ПКА, и из трех спектров ПКА, полученных от нейтронов деления, собственных ионов с энергией 21 МэВ и нейтронов термоядерного синтеза, минимальная энергия ПКА, необходимая для создания новых видимых кластеров путем взаимодействия, была оценена в 165 кэВ. ^{[ 3 ]}

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж «Смещение атомов в твердых телах под действием радиации». Отчеты о прогрессе в физике . 18 : 1–51. Бибкод : 1955РПФ...18....1К . дои : 10.1088/0034-4885/18/1/301 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с «О природе радиационных повреждений металлов». Журнал прикладной физики . 25 : 961. Бибкод : 1954JAP....25..961B . дои : 10.1063/1.1721810 . hdl : 2027/mdp.39015095100270 .
^ «Энергетическая зависимость образования и взаимодействия каскадных повреждений от энергии первичного атома». Журнал ядерных материалов . 233–237: 1080–1084. Бибкод : 1996JNuM..233.1080S . дои : 10.1016/S0022-3115(96)00446-1 .

См. также

[Kinchin-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж «Смещение атомов в твердых телах под действием радиации». Отчеты о прогрессе в физике . 18 : 1–51. Бибкод : 1955РПФ...18....1К . дои : 10.1088/0034-4885/18/1/301 .

[Brinkman-2] Jump up to: ^а ^б ^с «О природе радиационных повреждений металлов». Журнал прикладной физики . 25 : 961. Бибкод : 1954JAP....25..961B . дои : 10.1063/1.1721810 . hdl : 2027/mdp.39015095100270 .

[3] «Энергетическая зависимость образования и взаимодействия каскадных повреждений от энергии первичного атома». Журнал ядерных материалов . 233–237: 1080–1084. Бибкод : 1996JNuM..233.1080S . дои : 10.1016/S0022-3115(96)00446-1 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]