基于级联碰撞缺陷数据库的源项对辐照微结构演化影响团簇动力学模拟研究

团簇动力学(CD)方法是模拟核材料在高能粒子辐照下微观结构演化的重要方法之一,源项是团簇动力学方法的关键输入。经典CD方法中源项通常采用经验拟合得到,未能充分利用原子尺度获得的初始缺陷信息。随着分子动力学等方法的发展,级联碰撞缺陷数据库大为丰富,结合初级离位原子(PKA)能谱足以得到更为合理的源项。由于级联碰撞缺陷数据库的能量值数量相对于准连续PKA能谱仍然偏少,本文提出了5种从准连续PKA能谱得到级联能量分立值的抽样算法,并基于团簇动力学方法模拟低剂量中子辐照纯钨实验对算法进行了验证和比较。

分子动力学模拟BCC铁中级联碰撞产生的缺陷结构及其演变(英文)

用分子动力学模拟BCC铁中级联碰撞原子的演变过程.结果显示,级联碰撞的原子不仅可以临时地产生自间隙原子、空位、以及<100>,<110>和<111>哑铃型缺陷,也可以产生<110>和<111>,以及<110>和<110>哑铃型缺陷的复合缺陷.模拟显示在模拟的能量范围内,如果初级碰撞原子的能量越大,该原子引起的级联碰撞覆盖区域会越大.发现具有几千电子伏特初级碰撞能量的原子引起的级联碰撞覆盖区域大约为11～15个晶格常数大小.同时还发现在级联碰撞的初始阶段(0.0～0.75 ps)不仅会有自间隙原子与空位的生成,同时也会有少量的自间隙原子与空位缺陷复合而消失.

不同温度下α-Fe中级联碰撞分子动力学模拟研究

采用分子动力学方法模拟了500～700 K温度下α-Fe中由1～50 keV的初级离位原子(PKA)引发的级联碰撞,研究了缺陷演化过程,并分析了不同阶段的PKA能量(E_(PKA))与缺陷存活数量(N_(FP))、成团率的关系以及温度对级联碰撞过程的影响,讨论了级联碰撞后产生的缺陷的取向结构,并得到以下结论:级联碰撞后产生的缺陷的原子取向与尺寸相关,可指导构建团簇、位错环等多种缺陷结构;E_(PKA)较高时,大尺寸团簇的保留会明显提高缺陷存活数量,从而导致不同PKA能量阶段的N_(FP)-E_(PKA)拟合曲线指数有较大差别,温度的升高会使拟合曲线指数的变化量减小。

金属钨级联碰撞中势函数的影响

原子间相互作用势函数的精确性会影响分子动力学级联碰撞模拟结果的精确性。本文选取5种典型的金属钨势函数进行比较测试,通过分子动力学方法,用能量为10 keV和50 keV的初级碰撞原子进行级联碰撞模拟,讨论和分析了辐照过程中缺陷的产生、缺陷团簇和位错环的分布。结果表明:对于最终稳定状态下的弗兰克尔对的数目,不同势函数的模拟结果没有明显差别,而对于缺陷的空间分布、缺陷团簇分数及位错环的分布,不同势函数的模拟结果各有特点。本文结果为用于辐照级联模拟势函数的选择提供了参考,也为钨基势函数的进一步优化提供了指导。

低能原子簇轰击金属薄膜引起的级联碰撞(Ⅰ) 高能反冲原子

用分子动力学模拟研究能量为1 keV/atom的Au原子簇和0.2keV/atom的Al原子簇轰击金薄膜产生的级联碰撞。分子动力学模拟结果表明,原子簇轰击后,靶原子的反冲能谱加宽。与同样速度的单原子轰击比较,最大反冲能较后者高2—5倍。原子簇轰击后的多次碰撞及运动原子间的碰撞增加了靶原子的反冲能。还用经典力学守恒定律分析了两个碰撞的运动原子间的能量转移。

低能原子簇轰击金属簿膜引起的级联碰撞（Ⅱ）注入簇原子的加速

研究了能量为１ｋｅＶ／ａｔｏｍ的金原子簇和０．２ｋｅＶ／ａｔｏｍ的铝原子簇轰击金薄膜产生的级联碰撞。用分子动力学模拟计算了注入靶后的簇原子能量分布及其随时间的演化。结果表明，在原子簇注入引起的级联碰憧中，簇原子除了将能量传递给靶原子外，尚有可能破加速。簇原子的最高能量可大于它的初始能量；分析了原子簇注入引起的多次碰撞效应，并用经典力学守恒定律计算了一个簇原子发生二次散射后的能量增益，用以解释注入原子的加速机制。

α-铁和钒中级联碰撞的分子动力学模拟研究

低活化铁素体/马氏体钢(α-Fe)和钒合金都是重要的聚变堆第一壁候选结构材料.在高能中子辐照条件下,第一壁材料中缺陷的产生和微结构的演化极大地影响着其使用性能,因此相关研究具有重要意义.本文应用分子动力学方法详细模拟研究了BCC结构的-铁和钒在辐照环境中的离位级联碰撞及其缺陷结构演化过程,发现铁和钒中的自间隙原子和空位缺陷数目有类似的变化规律,即在级联碰撞最初极短的时间内自间隙原子和空位缺陷数目就达到最大值,随后自间隙原子和缺陷发生复合并在2ps内迅速减少,平衡后仅有少量弗兰克尔缺陷对存在.研究还发现提高温度和增大初级离位原子的能量都将延迟级联碰撞热峰的出现时间,并使热峰出现时的缺陷数目增多.两种材料的不同之处是在铁中进行的级联碰撞过程比钒中的更加剧烈,且铁中自间隙原子的稳定结构为<110>方向排列的哑铃状结构,在扩散迁移时旋转至<111>方向并以挤列子的形式沿着<111>方向迁移,最后又旋转至稳定的<110>方向;而在钒中自间隙原子的稳定结构为<111>方向排列的哑铃状结构,并很容易以挤列子的形式沿着<111>扩散.

级联碰撞对层状珠光体力学行为的影响

铁素体合金钢是目前在核能工程界应用最为广泛的一种金属结构材料,而以渗碳体和铁素体基体构成的层状珠光体是铁素体合金钢中常见的金相结构.深入理解辐照效应对层状珠光体力学性能的影响对高辐照条件下铁素体钢的材料设计与寿命评估有着重要的理论参考意义.基于以上考虑,论文采用分子动力学(MD)模拟,研究了连续低能铁原子级联碰撞对渗碳体/铁素体两相界面的破坏情况,探讨了经历不同程度级联碰撞的两相结构在单向拉伸以及压缩荷载下的初始屈服情况.通过对原子模拟结果的深入分析,得到了以下主要结论:(a)辐照会破坏渗碳体/铁素体两相界面的失配位错结构,引起渗碳体的分解,并促进碳原子向铁素体的扩散;(b)在单轴拉伸荷载作用下,级联碰撞会使初始屈服机制由{112}<111>位错滑移系的开动转变为缺陷团簇附近位错环的形核与长大;(c)在单轴压缩荷载作用下,级联碰撞会使初始塑性变形机制由{110}<111>滑移系的开动转变为{112}<111>滑移系的开动;(d)在单轴拉伸和压缩情况下,级联碰撞(及辐照效应)都会提高珠光体的初始屈服应力.论文的研究结果为铁素体合金钢的辐照硬化和辐照脆化行为提供了新的微观层面解释,对于辐照条件下铁素体合金钢的材料组织优化设计有一定的参考意义.

关于多元靶碰撞级联粒子谱的输运方程

根据严格的输运理论,研究了由H.M.Urbassek等人提出的多元靶碰撞级联粒子谱微分方程。结果发现,在一些情况下,他们的微分方程的解为非物理的负粒子谱,从而与他们自己发表的MonteCarlo模拟结果直接矛盾。

多元靶碰撞级联中的粒子通量

用一种推广的幂指数散射截面求解了溅射输运方程 ,获得更加一般的渐近解。这个渐近解不但以 Urbassek等人几年前所给出的两个解为其特殊情况 ,而且还为作者提出的 SC解提供了新的证据。此外通过计算并分析了Vicanek等人发表的新的输运理论 ,发现他们所提出的转换理论结果与 Monte

2keV镓离子轰击单晶硅基底碰撞过程的分子动力学模拟研究

阐述了聚焦离子束技术的原理,介绍了离子与固体相互作用的计算机模拟方法。结合Tersoff-ZBL势函数,运用分子动力学方法,模拟能量为2ke V的单个镓离子轰击硅表面。通过分析计算基底原子的速度等信息,研究了离子在入射过程中基底的温度变化等。并研究了入射离子在与硅基底原子的级联碰撞过程中造成的晶格损伤。研究发现,离子在入射过程中,通过级联碰撞,将能量传递给基底原子,基底温度出现峰值;当入射离子最终将能量传递给周围原子后,入射离子最终注入到基底内部,并观测到了入射离子在基底中形成的非晶化区域。研究结果为聚焦离子束刻蚀硅的分子动力学模拟提供理论指导。

光电半导体材料辐照诱发微观缺陷的演化特性研究

基于分子动力学计算方法,运用LAMMPS程序模拟了Si, GaAs, 3C-SiC三种半导体材料中辐照引起的级联碰撞过程,并分析了晶体内微观缺陷的演化特性。模拟结果表明,级联碰撞会在晶体内部形成类似离位峰的结构,大多数空位缺陷聚集在损伤区域内部,而损伤区域外围分布的主要是间隙缺陷。通过对三种材料进行缺陷簇分析,发现Si中缺陷簇数量明显多于GaAs,缺陷簇最大尺寸达到了17个原子。此外,三种材料中的Frenkel对的数量变化过程大致相同,均呈现“上升,下降,稳定”的趋势,但3C-SiC中的缺陷数量要远小于Si和GaAs,表明3C-SiC具有更好的辐射抗性,其晶体结构在受到辐照后仍能保持相对稳定。

Ag和Ni离子注入聚合物的分形生长

在Ag和Ni离子注入聚合物样品结构分析中 ,首次观察到注入的离子在聚合物中分形生长现象 ,用透射电子显微镜和扫描电子显微镜在注入样品表面与横截面处均观察到了漂亮的离子注入分形生长图 .讨论了分形特点和分形生长的机理 。

3C-SiC辐照诱发缺陷演化及温度效应分子动力学模拟

运用分子动力学方法,采用LAMMPS程序模拟了3C-SiC中的级联碰撞过程。研究了不同初始运动方向、不同能量下的PKA级联碰撞产生点缺陷的演化,结果表明,级联碰撞产生的空位数与PKA初始运动方向无关而与PKA能量之间呈线性关系。通过对级联碰撞过程中热峰、损伤区域瞬态温度分布分析可看出,级联碰撞过程中会产生高温区域,且此区域大小随时间的变化与PKA能量无关。

钚中氦泡生长模型

239Pu核自发衰变产生的氦原子在材料中聚集形成氦泡，氦泡生长是钚材料老化的重要因素之一．通过分子动力学模拟，发现钚核白发衰变引起的原子级联碰撞过程可导致影响区域内的氦泡散裂，对氦泡生长的影响不可忽略，这是传统速率方程理论不能很好描述钚中氦泡生长数据的一个重要原因．通过改进Schaldach．Wolfer速率方程模型，并选取适当的级联碰撞影响因子，得到与实验数据较好符合的理论结果，最后预测了100年内室温储存的钚中氦泡生长行为．

高电荷态离子^207Pb^36＋与金属Nb表面作用产生的二次离子产额

本文报道了利用兰州重离子加速器国家实验室ECR源引出的高电荷态离子^207Pb^36＋入射到金属Nb表面产生二次离子溅射的实验测量结果，实验发现。二次离子产额Y随入射初动能B的增加有先增加后减小的关系，二次离子产额有一个峰值。理论分析认为，这一过程是势能沉积作用与线性级联碰撞过程协同作用的结果。

聚变α粒子对材料辐照损伤瞬时行为的研究

研究聚变α粒子对第一壁材料辐照损伤随时间的发展与变化。用基于时间序列两体碰撞近似的计算机模拟程序（ＭＡＲＬＯＷＥ－１３）研究数十ｋｅＶα粒子对无定形铁材料的辐照损伤。计算了α粒子辐照引起的材料中空位和能量沉积分布及α粒子本身的沉积随时间的演化，还对用时间序列和速度序列两类级联碰撞模拟方法计算的结果作了比较。

100keV Ar^+、Ne^+轰击铜靶所产生的溅射原子角分布与离子入射角的关系

在40°和70°斜入射条件下,用100keV Ar^+、Ne^+轰击铜靶,Ar^+所产生的溅射原子角分布的溅射优先方向分别位于表面法线的两侧,溅射原子角分布对于表面法线明显不对称;而Ne^+所对应的溅射优先方向都位于表面法线方向,且溅射原子角分布对于表面法线是对称的。用级联碰撞理论分析了所得到的实验结果,并比较了Ar^+和Ne^+溅射机制上的不同。

高电荷态离子^(207)Pb^(36+)与金属Nb表面作用产生的二次离子产额

本文报道了利用兰州重离子加速器国家实验室的ECR离子源引出的高电荷态离子207Pb36+入射到金属Nb表面产生的二次离子的实验测量结果.实验发现,二次离子产额Y随入射初动能Ek的增加有先增加后减小的关系,在初动能为576 keV时二次离子产额达到最大.通过对实验点做高斯拟合发现,曲线峰值对应的入射初动能为602 keV.分析表明,这是势能沉积作用与线性级联碰撞过程协同作用的结果.高电荷态离子本身携带的高势能沉积在靶表面引起势能溅射,促进了二次离子的发射;而主导二次离子溅射的过程是动能溅射,它与靶表面的动量沉积(核能损)过程密切相关.

先进的离子束技术和材料改性

介绍了离子束形成。