離位原子

離位原子，是射線或入射粒子與物質相互作用造成晶體結構缺陷的現象。通常把輻照在材料中產生的巨觀性質的改變歸類為離位原子，而把出現性質變化以前的初始微觀事件稱為復位原子。它是在入射粒子與材料相互作用後的很短時間(10秒)內發生的過程。

基本介紹

• 中文名：離位原子
• 外文名：displaced atom
• 分類：科學技術

原理

入射粒子與晶格原子發生兩類碰撞

①非彈性碰撞:碰撞前後不滿足總動能和總動量守恆，部分動能轉化為晶格原子的內能，如電子激發和電離。它可以破壞有機材料、絕緣材料和半導體中的價鍵，導致晶格原子或分子中的原子游離，有時可能穿越周圍的勢壘進入間隙位置，形成空位和填隙原子對。電子激發和電離對金屬和合金只是消散能量的釋熱過程，不造成損傷。

②彈性碰撞:遵守總動能和總動量守恆的過程，如帶電粒子與原子核的盧瑟福散射，中子與核的彈性散射等。碰撞過程中，當傳遞給晶格原子的能量超過離位閉能時，例如10一100eV，原子將離開它的晶格位置，留下一個晶格空位，這個原子或者其近鄰原子將進入間隙位置，構成填隙原子一空位對，稱弗倫克爾缺陷。低於離位閉能的被撞原子只在點陣中心位置附近作較大幅度的熱振動離。

中子輻照產生的初級離位原子能譜的蒙特卡羅

建立了1套中子輻照產生的初級離位原子能譜的計算方法。利用MCNP的DBCN外圍卡參數的合理設定實現於計算輸出檔案中輸出所有抽樣中子的歷史跟蹤記錄，對源粒子與靶物質作用位置、作用類型、轉移能量進行統計，得到初級離位原子的能量和空間分布等信息。該方法較好地解決了蒙特卡羅計算中隨機數的隨機性問題和隨機抽樣計算的效率問題，計算效率高，結果的統計性較好，可信度高。同時可獲得初級離位原子的能量分布和空間分布三維圖，對於評價材料的輻照性能和後繼的輻照缺陷演化研究具有重要意義。

PKA能譜的計算原理

高能中子導致材料發生離位損傷的核反應主要是彈性和非彈性散射，計算初級離位原子PKA能譜時主要考慮彈性散射和非彈性散射的貢獻。中子不帶電，通常只與原子核作用而受到散射，與原子核外電子發生碰撞的機率甚小，故可用鋼球碰撞來描述中子與原子核間的相互作用。利用鋼球碰撞模型得到中子與原子核散射的能量傳遞微分截面為：式中：R_n為入射中子半徑；E_n為入射中子能量；R_N為靶原子的原子核半徑；σ_s為中子與原子核的彈性散射截面；A為靶原子的原子量。

當中子能量較低時，在質心繫內是各向同性散射；對於MeV量級的中子，散射具有明顯的各向異性效應，向前散射的機率很大，且中子散射的低能傳輸事件占明顯優勢。中子彈性散射的角微分截面可按勒讓德多項式展開：式中：Φ為質心繫內中子的散射角；σ（E_n）為能量為En的中子彈性散射總截面；P_l為l項勒讓德多項 式；a_l（E_n）為展開係數，與中子能量E_n有關。

在利用蒙特卡羅方法計算PKA能譜時，除靶物質原子陣列的設定、中子微觀作用截面的套用、核反應動力學方程求解等問題外，還有兩個重要的問題不容易解決：一是蒙特卡羅計算中隨機數的隨機性問題，二是隨機抽樣計算的效率問題，而這些問題將直接影響最後計算結果的可靠性和統計性。利用MCNP的 DBCN外圍卡參數的合理設定實現於計算輸出檔案中輸出所有抽樣中子的歷史跟蹤記錄，通過特徵字元去辨別所有抽樣中子與靶物質原子的碰撞位置、作用類型、中子能量變化情況及次級粒子能量與歷史跟蹤等。最後編制數值計算程式對有用信息進行統計，得到PKA能譜和深度分布等信息。

EHR第一壁中子能譜

第1個採用中國科學院電漿物理研究所的計算模型，計算了具有EHR（Experimental　Tokamak　Fusion－Fission　Hybrid　Reactor）第一壁中子能譜分布的各向同性點源，在316不鏽鋼中產生的PKA能譜中316不鏽鋼球殼主要核素為62%Fe+18%Cr+14%Ni+3%Mo，半徑為15cm，厚度為0.5cm，共抽樣1000000個源中子。計算結果表明，入射中子產生的初級離位原子中Fe為55.49%、Cr為15.05%、Ni為25.87%、Mo為3.59%。

316不鏽鋼中各核素的PKA能量分布特徵基本一致，Fe的峰值在2keV左 右，Cr在0.2～0.3keV左右，Ni在0.9～1keV左右，Mo在0.3～0.4keV左右。各核素的 PKA能譜峰值與文獻結果符合得較好。利用MCNP程式計算中子與靶物質原子的作用行為，較好地處理了隨機數的隨機性問題和隨機抽樣計算的效率問題，以及靶物質原子陣列的設定、中子微觀作用截面的套用、核反應動力學方程的求解等技術問題，計算效率高，結果可信度好。

第2個計算模型是半徑為0.5cm的14MeV中子面源，定向發射到底面半徑5cm、厚度20cm的Fe圓柱體片。Fe的PKA產額主要集中在10～60keV左右。此外，PKA的產額分布與材料厚度有關，材料越厚，中子慢化時間越長，碰撞次數越多，相應的低能 PKA數量也會增加。

計算機模擬的原子離位級聯構型

用二體碰撞近似的固體中原子碰撞級聯模擬程式TCIS一1給出的級聯軌跡圖和缺陷密度圖，考察了5一200keV的PKA在Fe中級聯的空間構型特徵，和不同人射離子在Fe和W中級聯的構造。

級聯的描述

人射離子或PKA在材料中受到多次核碰撞和電子阻止，其能量逐漸衰減。這些核碰撞中，如果靶原子接收到的能量T大於離位閉能Ed，就成為離位原子，以T一E_b (E_b一靶原子的晶格點陣結合能 ,E_b>E_d) 的動能開始運動，它可能進而產生下一代的離位原子。模擬計算一直到所有反衝原子不再能產生離位原子為止。這樣就實現了一個級聯的模擬。核碰撞計算用經典二體碰撞近似，原子作用勢用Moliere 勢。電子阻止用LSS 公式計算。

TCIS一1程式有級聯圖示的功能。用級聯軌跡圖顯示原子碰撞級聯的發展過程和形狀。級聯軌跡圖是級聯中所有運動原子的軌跡在某一 平面上的投影。用級聯點缺陷密度圖顯示級聯中空位或間隙原子的空間分布。點缺陷密度圖是級聯中所有空位或(間隙原子)在兩個相互垂直的平面上的投影。

不同入射離子的級聯結構

用TCIS一1程式在相同人射能量的條件下，考察了不同人射離子形成的級聯的空間結構。N⁺、Fe⁺和Xe⁺垂直人射到Fe中級聯軌跡圖的比較。入射離子能量均為10kev。由它們對應的級聯缺陷密度中，可以看到它們的空間結構的差別十分顯著。隨著人射離子質量數的增加，級聯逐漸密集。N⁺→Fe的級聯中是一長串孤立的點缺陷和小缺陷團；Fe^+→Fe的級聯是一個較鬆散的單一的級聯，內部分布著若干個孤立的點缺陷；Xe⁺→Fe的級聯是一個密集的團狀結構。