文摘

快速原子束的比较分析和对金属离子影响目标执行二体碰撞模型。辐照快原子被证明更紧密地对应于一个核反应堆中子辐射,在主敲了原子光谱和辐射的效率和机制缺陷的形成。发现辐照,碳原子的能量快0.2 - -0.3兆电子伏,辐射缺陷的平均数量在一个原子的位移级联四到五倍计算值使用SRIM程序相同离子的能量。结果表明,在目标渗透,电离的原子能量的概率小于0.4兆电子伏是微不足道的。

1。介绍

带电粒子束(电子、离子和等离子体压缩流)广泛应用于各种工艺流程和研究样本结构材料。热淬火(硬化)和金属制品的最古老的方法用来提高他们的操作属性。提高淬火的工艺过程可以通过增加产品温度变化速率和处理表层,不改变大部分属性。为此,激光辐射(1],电子束[2,3],离子束[4),和等离子体压缩光束(5使用)。接触的高强度脉冲离子束(HIPIB),持续时间为100 - 150 ns和能量密度2 - 3 J /厘米2提供了产品表面处理层的加热和冷却∼108K / s (6]。当HIPIB能量密度高于3 J /厘米2,目标材料的烧蚀,形成反冲冲击波的加工产品,和压强超过108Pa (7,8]。一个快速原子束在离子束有许多优点。使用强大的快原子束改性材料的减少其散射辐射介质或略导电表面(9]。中性束用于热等离子体在聚变实验(10,11]。

核工业的发展,活跃的空间探索,和热核聚变的研究需要高辐射抗性结构材料的发展,首先贡献热核科技特别强调plasma-wall相互作用[12]。在核反应堆的运行,形成中子,建立辐射缺陷在反应堆的结构元素和减少他们的机械阻力。是不可能的,以防止缺陷的形成,减少辐射损伤,这是必要的,以确保最大的效率缺陷退火和恢复原来的结构材料。

新材料与高辐射抗性的发展需要高强度辐射来源。在核反应堆辐照的样品需要很长时间来处理必要的中子流利和postreactor暴露的材料来减少辐射的活动。最重要的变化之一中子辐射引起金属是肿胀13]。需要大约一年实现政权的明显在核反应堆的中子辐照肿胀。这个过程是快离子辐照时(14,15]。因此,近年来,模拟方法的形成辐射缺陷一直积极发展。模拟结构材料是使用电子束辐照(16)或离子梁(14,17]。

然而,模拟由带电粒子束照射相比具有显著的缺点在一个核反应堆中子辐照。主要的报废原子的能量谱(PKA)在目标离子辐照显著不同的光谱与辐照中子(18]。铁目标大约有80% PKA 30 - 60 keV能量的中子辐照后的0.5 - 5兆电子伏能量核反应堆(19]。形成辐射缺陷发生在金属离子在低角散射目标原子,和超过90%的PKA小于1 keV能量(20.]。模拟的区别(离子或电子辐照)和核反应堆辐射过程不能够做出准确预测结构新材料的辐射抗性的核反应堆。模拟辐照与加速的原子结构材料可以克服这些缺点,但这样的研究几乎没有。模拟辐照与加速的原子结构材料还可以简化和加速激活建筑组件的研究由于重离子加速器束损失(21)和集体效应的研究目标(中加速粒子的吸收22]。加速的原子吸收到目标时,比离子电子损失明显降低。这可以增加收益率同位素/加速粒子的数百倍。本研究的目的是比较快的影响原子束和离子束金属目标。

2。计算PKA能谱

能谱PKA的目标是最重要的参数,确定主要辐射的空间分布缺陷,随后的退火时间和效率。PKA能量谱,当辐射与中子或离子,金属目标明显不同(18,20.]。实验或计算数据的PKA光谱吸收的快原子在金属目标缺失。

由离子辐射缺陷的形成发生在小角度散射目标原子由于原子核的库仑相互作用[4,7]。原子核的半径(3.6⋅10−5Ǻ菲(23])明显低于原子之间的距离在一个金属目标(晶格常数α铁是2.9Ǻ)。因此,离子的渗透过程和中子在目标模型中可以被认为是独立的二元碰撞(13,14]。后两个粒子的弹性碰撞,一个快速粒子(质量米1原子)和目标(质量米2),总动量和碰撞粒子的总能量保存。获得的能量碰撞后的PKA = (13,14] 在哪里E0是快速的初始能量粒子(离子、中子或快速原子)和θ是这个快速粒子的散射角。

离子散射目标原子的概率是卢瑟福所描述的公式: 在哪里Z1和Z2描述原子核电荷的离子和PKA,分别e是一个电子电荷。

PKA的能谱是由快速粒子的动能转移效率PKA,等于产品PKA能量散射的概率。能量转移效率的依赖PKA极端是因为PKA减少能源和散射的概率增加的增加(或减少的影响参数θ),见方程(1)和(2)。从方程(1)和(2),我们获得的弹性碰撞能量转移效率与PKA等于离子

图1显示了不同离子渗透时的能量转移效率在一个铁的目标。动能传递的效率是规范化,所有积分PKA能量(> 1 eV) = 1。


图1
动能的依赖PKA能量转移效率在渗透在一个铁的目标。

在现代计算(17,18,20.),相同的结果获得了初级的报废原子的能量在目标辐照时ions-PKA能量离子辐照后(0.2 - -0.4兆电子伏能量)小于1 keV。没有意义的考虑更复杂的模型对目标离子辐射影响,正确描述更弹性碰撞与目标原子离子的能量范围小于30 - 40 eV,当能量是不够的缺陷。

中子穿透目标的过程也可以被认为是固体球的二元碰撞(14,15),其半径等于中子半径(3.6⋅10−5Ǻ)和目标原子的核半径。他们的尺寸远小于原子在金属目标之间的距离。中子与目标原子碰撞的概率增加的增长影响参数和可以写成 在哪里p参数和影响r1和r2中子和核原子半径的目标,分别。

从方程(1)和(4),我们获得的弹性碰撞能量转移效率与PKA等于一个中子

图1显示能源传输的效率在铁中子穿透目标。

尽管大量研究的辐射过程,实验和计算数据快速渗透的原子在金属目标(PKA谱、能量平衡和渗透的深度)都缺席。考虑这些过程的离子减速模型是不正确的,与能量小于100 keV快原子有一个微不足道的电离概率(参见章节5)。离子的渗透机理的显著差异和快速原子在金属目标的结果证实了加速粒子的能量平衡研究。分子动力学(MD)模拟表明,PKA花费超过60%的能源目标辐射缺陷的形成(24]。在SRIM计算表明,碳离子的电子能量损失与200 - 250 keV能量在各目标是75 - 85%25]。

正确分析快速渗透的原子在铁的目标是可能的MD模拟,设置一个大能源之一,目标原子(PKA方法)的模拟。然而,MD模拟需要大量的计算,这是超级计算机上实现。建模时快速原子的过程与一个175 keV能量,10的进化分析6-10年7原子是必要的(26]。MD模拟的可靠性很大程度上取决于原子间潜在的选择(27];因此,仿真结果不一致。此外,PKA的使用方法在MD模拟可以计算目标原子只有快速的吸收。

大量实验研究证实建模的正确性离子的深度的分布目标二进制碰撞(19]。然而,当模拟渗透快原子在金属目标的这种方法,有必要考虑球的弹性碰撞与直径等于原子直径,没有细胞核直径。铁原子的半径是1.56Ǻ[23),和晶格常数α铁是2.9Ǻ。因此,计算PKA频谱与快速原子辐射目标时,首先考虑最简单的选择:渗透原子气体的环境中。即使有大气压力,原子之间的平均距离超过了原子的大小约10倍,和碰撞的过程中,可以考虑一个二体碰撞模型。快速原子碰撞的概率与目标原子增加而增长的影响参数和可以写成 在哪里R1和R2PKA和快速原子的半径,分别。

Lennard-Jones潜力可以用来描述一个快速原子的原子间相互作用的原子气体(27,28]: 在哪里ε描述了晶格的原子间相互作用力(深度参数)和r是一个原子的距离。

快速原子的能量明显高于热能,可以忽视第二阶段,它描述了弱吸引力由范德华力引起的。Lennard-Jones势大幅减少与原子之间的距离,增加的距离rR = 2.3, 0.016ε。因此,碰撞的概率可以写成

图2显示了碳原子的散射概率依赖一个铁原子的影响参数。一个碳原子,R= 0.67Ǻ,一个铁原子,R= 1.56Ǻ。依赖关系图2规范化,散射影响参数的所有可能值的概率积分等于1。


图2
的依赖散射概率的快速碳原子在铁原子在固体球和模型中参数的影响考虑到Lennard-Jones潜力。

从方程(1)和(8),在弹性碰撞动能转移效率的快速原子原子气体原子=

图1显示了能量传递的效率在普及率快速碳原子的原子气体介质。

快速原子,最低散射角的金属目标对应于一个影响参数等于一半目标原子之间的距离:

快速碳原子和铁的目标,θ最小值= 91°。图3显示了能量传递的效率在渗透快速碳原子在铁的目标。


图3
的依赖加速粒子的动能转移效率的PKA能量渗透在一个铁的目标。

分析表明,铁的PKA能源目标,辐照后快速原子(0.2 - -0.4兆电子伏能量)和中子(1 - 3兆电子伏能量),略有不同,超过50凯文。PKA能量离子辐照后(0.2 - -0.4兆电子伏能量)小于1 keV。PKA能量光谱,在加速的原子在固体目标和气体的渗透,只有在低能区域不同。

3所示。辐射的空间分布分析的缺陷

辐射的空间分布缺陷的分析在目标确认的正确性PKA能谱计算原子辐射目标时快。MD模拟显示(29日),当PKA能量高于临界值的10 keV(对应于中子辐照),subcascades形成铁的目标,这表明大量能量的转移弹性碰撞与目标原子。由电子或离子辐照的材料导致的外观主要是孤立的间隙原子,这些点缺陷的空缺,和小集群由于低PKA能量(0.1 1 keV,见图1)。

代的辐射模式缺陷的金属目标辐照,快原子的模式有很大区别在辐照离子和对应的模式根据中子辐照。超过90%的PKA在目标辐照后快速原子(0.2 - -0.4兆电子伏能量)的能量超过50 keV(图3)。这些PKA subcascades形式,而不是孤立的间隙原子和空缺。

PKA能谱计算的正确性,当辐射目标与加速的原子,也证实了分析的加速碳原子的散射角,也就是90 - 120°时渗透在一个铁目标(图4)。


图4
依赖的能量转移效率加速粒子的散射角的铁的目标。

MD模拟也证实,PKA散射角大于90°(图5)[26),形成subcascades垂直于PKA的方向运动。

(一)
(一)
(b)
(b)
图5
SRIM模拟C+250 keV能量在一个铁离子与目标(a)和MD模拟PKA位移瀑布在铁(b) (26]。

目标中的快速原子和PKA散射主要发生在高角度,它提供了一种弱渗透在目标之间的连接和快速原子能量。在低离子散射金属目标,渗透与能量成正比,允许使用的术语“线性能量损失”在考虑弹性和非弹性相互作用的离子与目标24]。

4所示。调查数量的辐射缺陷

在植入和热金属样品表面的改性层,离子和快速原子具有相同能量将产生同样的效果。然而,辐射的效率缺陷形成快速原子高于相同离子的动能,为快速原子的能量损失更少。PKA的MD模拟表明,超过60%的能源消耗,形成辐射缺陷目标(30.]。当辐射金属目标离子,主要动能的一部分花在电子停止,没有辐射缺陷的形成(14,15]。计算在SRIM [31日,32]表明,碳离子的电子能量损失与200 - 250 keV能量在各目标是75 - 85%。因此,我们进行实验研究的辐射缺陷在辐照金属目标的快速原子脉冲光束。

实验进行了使用TEMP-6加速器(加速电压250 - 300 kV和脉冲持续时间150 ns) (33),组成的马克思发生器,脉冲形成线,真空离子二极管self-magnetic绝缘的电子。领域的金属网离子运输增加离子和残余气体分子之间的电荷交换的气体层分子眠相邻网格,和快速的原子的能量,HIPIB总能量,从20增加到98%34]。HIPIB参数的分析中,我们使用热成像诊断的能量密度(1 - 2毫米的空间分辨率)(35,36)和梁组成的飞行时间诊断(1 ns)的时间分辨率37]。

这些实验进行的目标维度,远小于原子束的横向维度快。这确保了均匀辐照和阻止热能的损失由于导热加热区。一个不锈钢箔制成的圆盘,0.1毫米厚,直径10毫米,是安装在大型不锈钢箔的中心孔和固定薄不锈钢丝,0.1毫米直径。

使用热量辐射缺陷的数量确定诊断,基于实验的能量损失的比较在目标和热辐射的计算力量当目标被快速冷却后辐照束原子或离子[25]。辐射缺陷的数量(空缺+间隙原子)生成的目标是计算从以下比例: 在哪里E一个的能量辐射辐照和后缺陷湮没在目标吗Ed的阈值能量辐射缺陷的形成。

我们的研究表明,辐射缺陷可分为两组:快吃光了之前的缺陷目标冷却测量(辐照后0.1秒内150 ns)和缓慢的缺陷迁移到目标形成的点,然后,湮灭在几十秒(38]。图6显示的数量的依赖目标辐射缺陷吸收光束能量(38]。我们计算的阈值能量辐射缺陷的数量40 eV铁目标(39]。


图6
依赖的快和慢的缺陷数量的吸收光束能量在一个不锈钢的目标。

我们的研究表明,辐射缺陷的数量的依赖目标的被吸收的能量光束所描述的是一个线性函数(图6):Nd=Kd·E总和,在那里Kd系数等于辐射缺陷形成的数量目标的离子束的能量1 J。

的一个主要参数,计算建模时辐射缺陷目标的形成,是级联中缺陷的数量由一个加速粒子。辐射的平均数量缺陷位移级联可以通过以下比率计算: 在哪里E原子是一个快速原子的平均能量束。表1显示了计算缺陷的数量在快速碳原子的级联。

表1
快速碳原子级联的缺陷数量。

除了实验研究形成的辐射在辐照缺陷的金属目标,我们用SRIM进行了仿真。SRIM模拟,我们计算的总数空缺和间隙原子离子产生的C+级联的晶格结合能3电动车和一个阈值的能量40 eV。SRIM仿真结果200 keV的离子能量如表所示1。仿真表明,辐射缺陷的数量在С的级联+离子(NSRIM)是4到5次低于实验值(N总和)。这些结果证实高辐射效率缺陷形成原子与离子的快。

5。快速原子电离吸收的目标

金属目标的分析表明,辐照快原子更符合一个核反应堆的中子辐射,PKA谱而言,效率和辐射机制缺陷的形成。但是,与中子,快原子可以电离在渗透目标;移去一个电子所需要的能量不超过30 eV,明显低于其动能。

离子电荷交换是由亨德森通过实验中发现的α粒子(5.6兆电子伏,α氡衰变)通过箔的云母或黄金40]。指出这是箔的通道后,单独指控他+离子和中性原子他出现,解释为捕获电子的α粒子在目标。快速原子电离的MD模拟表示没有确认在吸收金属离子和中子的目标(29日]。PKA能量小于200 keV,原子,铁离子,形成辐射缺陷目标。

弹性碰撞的过程,剥离(增加电离的多样性),与靶原子和离子的电荷交换二体碰撞近似模型描述(13,14]。这是所示(41)在一个较高的离子能量和介质的密度的增加,电荷交换截面减少了10 - 15%,而电离截面的增加,由于入射离子电离,不仅从平衡也从激发态。因此,改变离子的电荷状态的过程和快速原子在固体和气体运输目标会略有不同。

第一个研究改变离子的电荷状态在天然气的运输是由波尔(42]。它被发现,当离子速度小于氢原子的电子轨道的速度(2.2⋅108cm / s),捕获的电子(电荷交换)。这个条件对应于一个离子能量小于20.5 keV /核子或250 keV碳离子。的截面谐振质子电荷交换(20 keV能量/核子)由氢原子5⋅10−16厘米2,电离截面较小,6⋅10−17厘米2(43]。专著(44]介绍了实验和计算截面的电荷交换值和电离的离子在吸收气态和固态的目标。当一个碘离子,能量小于5兆电子伏,经过氢气和氧气,俘获截面的一个电子远远大于电离截面。Tolstikhina和Shevelko45)综述了实验数据和理论计算方法有效的电荷交换和横截面的多电荷离子与中性原子发生碰撞电离气体能量高达10 GeV /核子。这样的过程,改变电荷状态,发生概率高(总横截面:10−14-10年−16厘米2)。结果表明,离子能量小于10兆电子伏/核子、电荷交换过程主要发生电离率下降。快速获得的碳原子的TEMP-6加速器有250 - 300 keV能量,并吸收在目标、电荷交换,而非电离,更有可能。

一个实验研究的结果快速原子生成的离子二极管与self-magnetic绝缘电子提交的文章(46]。HIPIB能量密度是衡量使用红外成像诊断和计算使用离子电流密度和加速电压。红外测量的能量密度超过了离子电流密度的测量,表明快速原子束中。我们的研究表明,使用金属网HIPIB运输领域的快速增加的能量原子HIPIB总能量从15 - 30至98%。结合梁的总能量(离子+快速原子)不会改变(考虑到网格的光学透明度)。

快速原子离子二极管产生通过离子和住宅之间的电荷交换气体分子在气调整网格层。在解吸过程中分子的表面金属网,护套的厚度调整网格超过,长度5 - 15倍,电荷交换离子的过程++ N2⟶C0和C++ O2⟶C0(47- - - - - -49]。当生成N2 +离子,使用金属网运输地区确保充电(N)2 +⟶N+离子。

6。结论

快速的进行分析表明,脉冲光束原子是最有效的在模拟结构材料的辐射暴露。辐照金属目标的快速原子更符合核反应堆中子辐照,根据PKA频谱,效率,辐射缺陷形成机制。PKA能源的目标,与快速原子辐射(200 keV能量的)和中子(3兆电子伏的能量),超过10 keV, PKA能量离子辐照后(200 keV能量的)小于100 eV。计算机仿真表明,辐射缺陷的数量在С的级联+离子四到五倍低于实验值的级联碳原子具有相同的能量。

PKA能谱在辐照金属目标的快速原子,200 - 600 keV能量,更充分地对应于PKA光谱辐照,中子裂变反应中形成235年U为目标的一个核反应堆钛、铜、锆,等。辐照与快速一束原子可以研究介质的辐射电阻和弱导电材料,大大扩展了安装的范围。

不像一个中子,加速可以电离原子在吸收一个目标;移去一个电子所需要的能量远远小于它的动能。然而,在快速原子的能量,200 - 600 keV,离子电荷交换截面在渗透目标明显高于电离截面,和电离概率是可以忽略不计。效率高的离子电荷交换快原子与被动二极管阳极脉冲波束形成,MD模拟位移级联形成的离子的渗透和中子的目标,和单独起诉他的形成+离子和中性氦原子α粒子通过箔确认加速的低概率的电离原子在吸收目标。

数据可用性

超链接公开列出归档研究中数据分析或生成的引用。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

所有作者的贡献同样这项工作。

确认

本研究支持的俄罗斯基础研究基金会的项目没有。19-38-90001。