由入射粒子引起的初級反衝及其級聯過程，造成了一個高的損傷區，在此區域入射粒子和反衝原子有一部分剩餘的能量將轉為晶格的熱振動。這將使固體局部的溫度升高。這種局部的高溫點稱為熱峰(thermal spike)。
基本介紹
- 中文名：熱峰
- 外文名：thermal spike
- 成因：粒子剩餘能量將轉為晶格的熱振動
- 位置：局部的高溫點
- 作用：消除缺陷
- 條件：具有一定動能E的粒子射入晶體
簡介,形成過程,熱峰模型,作用,熱峰模型套用,
簡介
反應堆材料受能量大於1MeV的快中子輻照時， 其中被中子撞擊的原子會產生離位現象。在串級碰撞後，材料中會出現缺陷群組成的離位峰，同時空位和間隙原子分別通過聚集、崩塌還會形成錯環、堆垛層錯等。因為這些缺陷周圍的應力場比較大，致使位錯通過較難，從而引起材料硬化，並伴生脆化。同時，因材料離位峰內間隙原子非常密集。在它們的剩餘能和碰撞能的作用下，足以使局部微區迅速升到很高溫度。所以與離位峰伴生的還有熱峰，但因熱峰體積很小，緊接著溫度又急劇下降，這如同淬火，也會造成材料硬化和脆化。金屬材料受輻照引起的硬化和脆化這種效應，有時亦稱輻照損傷。它隨中子注量的增加而增加，但又隨溫度增加而復原。此外，材料性能變化也可能由熱中子輻照引起。熱中子可能被材料中的原子吸收從而蛻變。
形成過程
具有一定動能E的粒子射入晶體後，與晶體中的晶格原子發生碰撞而交換動能。當晶體原子從入射粒子處得到的能量E大於其移位閾能Ed時，晶格原子離開晶格的位置成為移位原子。這種第一次被撞擊並發生移位的晶格原子，稱為初級反衝原子，如果初級反衝原子的動能足夠大，它又能使其它的晶格原子被撞擊而產生次級移位原子。與此同時，入射粒子還將繼續打擊移位原子，如此繼續下去形成級聯碰撞過程。根據Kinchin-Pease模型，一個能量為E的入射粒子，在晶體中產生的移位原子總數為
。
移位閾能是由原子的鍵合能量以及克服勢壘所需的功兩部分決定的，它隨著晶體種類以及反衝方向不同可以有很大差別，其數值為幾十個電子伏。
一般情況下移位原子將成為間隙原子，而其原來的晶格位置處變成了空位。當級聯碰撞的密度不大時(即入射粒子的劑量較小時)，晶體中會產生許多孤立的點缺陷，當高密度的級聯碰撞發生時，高密度的點缺陷聚集而形成移位峰。
由入射粒子引起的初級反衝及其級聯過程，造成了一個高的損傷區，在此區域入射粒子和反衝原子有一部分剩餘的能量將轉為晶格的熱振動。這將使固體局部的溫度升高。這種局部的高溫點稱為熱峰(thermal spike)。其溫度可高達攝氏幾百度。熱峰的壽命決定於熱量傳導給周圍晶格的效率，一般約在10個原子振動周期後，熱峰冷卻下來，其壽命約為10-12秒、其冷卻速度高達1015K/s。
熱峰模型
Weissnantel C.I.等提出熱峰模型來解釋sp3的CBN薄膜的形成原因。他認為離子經過碰撞後，殘存應力不足以移動原子，便把其餘的能量轉化為聲子，這樣在極短的時間內，在微區域內產生非常高的溫度及壓力，此聲子稱熱峰。如果熱峰消失緩慢，有利於sp2鍵的形成；若迅速消失，有利於sp3結構的生長。
為了能夠更好地描述高能輻照損傷，有人引入了熱峰模型，熱峰模型套用了所給材料的電子和原子子系統的熱性能，離子在固體中的能量沉積導致離子徑跡附近瞬間溫度劇增進而達到熔融態，然後通過熱傳導冷卻。
作用
熱峰有消除缺陷的作用。從現象上看，與退火過程類似，都能夠消除晶體中的空位，但與退火過程不同的是，熱峰加熱和冷卻的速度極快，是個淬火行為，是通過離位原子與空位的湮滅來消除缺陷的；而退火是通過空位的擴散來實現的。熱峰周邊的溫度被帶動得很高，原子以壓力波的方式向外運動，運動過程中會將空位與間隙原子分開。模型描述的過程與溫度無關，溫度只是促發壓力波的手段。熱峰是輻照促進擴散的一種方式。
熱峰模型套用
套用熱峰模型可以模擬高能輻照下UO2的損傷過程。
經高能粒子輻照後所產生的在巨觀上可以觀察到的工程意義上的後果被稱為輻照效應。另外那些在固體微觀過程中，特別是在輻照起始階段出現的變化被稱為輻照損傷。為了能夠更好地描述高能輻照損傷，學者引入了熱峰模型，例如1998年，Bringa和Johnson在固體Ar中用圓柱形的熱區模擬了熱峰，觀察了隨後的原子離位。在裂變產物軌跡的初期，得到以下結論：在入射能量區瞬時晶體熔化了，隨後能量傳遞到周圍的非熔化區。Bringa又在隨後的一篇文章中研究了固體Ar和固體O的輻照濺射產量，得到結果為：濺射產量與有效阻止能力成正比。在其文章中，用LJ勢，Morse勢導出了濺射產量，濺射產量與有效阻止能力的關係，發現了產量與材料的結合能和密度的關係。其另一篇文章重現了庫倫爆炸和熱峰模型，過程為離子軌道產生，發生庫倫爆炸，隨後產生了熱峰。Sasajima等研究了Si在受到輻照後，回復過程結束後，所輻照的圓柱形區域內的非晶化。Huang用熱峰去衝擊Xe氣泡，模擬氣體重溶。
