带电粒子在固体中的输运及辐照损伤建模研究

发布时间：2020-06-22 14:17

【摘要】：带电粒子在材料辐照损伤的研究中有非常重要的作用。本论文以离子和电子这两种最常用带电粒子为研究对象,较为系统地研究了这两种带电粒子在固体介质中的输运过程及其对介质产生的辐照损伤。基于蒙特卡洛方法开发了能够模拟粒子输运和损伤缺陷的软件工具DEEPER(damage creation and particle transport in matter),并研究了低维碳纳米结构的离位截面、使用扫描电镜表征大面积内辐照空洞的方法和透射电镜样品在电子束辐照下辐照损伤的快速计算等几个辐照损伤领域内的具体问题。本论文还对材料辐照损伤的多尺度建模进行了初步的探索研究。本论文的理论基础为材料的辐照损伤理论和带电粒子与物质相互作用模型。经过几十年的发展,形成了以PKA(Primary Knock-on Atoms)和DPA(Displacement Per Atom)为核心的辐照损伤理论,在辐照损伤效应等效、辐照实验刻度和辐照损伤多尺度建模等方面发挥了重要作用。在这个基础上,本论文总结了材料中原子离位损伤的产生过程,搜集整理了常用固体材料离位阈能的数据,探索了使用多尺度建模过程中使用蒙特卡洛程序模拟初始缺陷必要的修正方法。带电粒子与物质的相互作用建模过程是类似的,本论文的研究基于两体碰撞假设,分开处理带电粒子与原子相互作用的非弹性过程和弹性过程。离子和电子的非弹性过程简化为连续能量损失,对于离子而言,该过程为电离激发过程,使用基于实验数据的连续能量阻止本领拟合公式处理;对于电子而言,该过程包括电离激发和轫致辐射两个过程,前者使用修正Bethe公式描述,后者使用辐射阻止本领描述。弹性过程为带电粒子在库伦力下与原子核直接碰撞造成的,对于离子,在质心系中使用几何关系和拟合公式进行处理;而对于电子,使用Mott散射截面和相对论能量传递公式进行处理。弹性过程决定了带电粒子传递给靶原子能量的大小,基于能量传递和辐照损伤理论对介质中的辐照损伤过程进行建模计算。这些理论和模型经过评估验证之后使用C++语言进行编程实现,体现在DEEPER软件之中。本论文使用辐照损伤理论和Mott截面模型研究了低维碳纳米结构,包括碳纳米管和石墨烯,在电子辐照下的离位截面。使用由分子动力学软件LAMMPS(Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator)计算得到不同方向上碳原子的离位阈能、由Mott截面模型计算得到的该方向上微分截面和由相对论框架下得到的该方向上的能量传递计算两种纳米结构的平均离位截面,并使用德拜模型描述碳原子在的热振动,对离位截面进行了修正。研究结果显示了与前人研究的一致性,并在电子束阈能计算、高温情况下离位截面计算和碳纳米管管径依赖等方面有所改善。使用扫描电镜背散射电子来表征大面积上辐照损伤导致的空洞对于非均匀材料辐照肿胀研究非常重要,因为该情况下非均匀性使得只能表征局部空洞的常规透射电镜方法失效。本论文使用蒙特卡洛方法对扫描电镜背散射电子表征近表面空洞的原理、成像过程、参数优化等方面进行了研究。研究结果与最新的实验结果对照,肯定了该方法的可行性,也得到了该方法的局限性,有助于非均匀材料的辐照肿胀实验方法的改进。透射电镜是研究辐照损伤微观结构改变的最常用工具,其所使用的电子束能量较高,有可能在样品中造成额外的缺陷从而改变被观察样品本来的微观结构。本论文使用辐照损伤理论、基于Mott截面的平均化参数和多重散射修正研究了大量电子入射时薄层固体介质中辐照损伤的定量计算,并使用约化参数的方法对计算数据进行了处理拟合,给出了在实际实验中便于使用的电子辐照损伤快速计算公式。该公式的可行性得到了DEEPER程序模拟结果和前人固体材料离位截面数据的验证,提供了电子辐照时样品的缺陷估算的实用方法。多尺度建模是目前辐照损伤模拟研究的方向,本论文基于蒙特卡洛方法(Monte Carlo,MC)和动力学蒙特卡洛方法(Kinetic Monte Carlo,KMC)进行了铁介质中辐照损伤模拟的尝试,建立了KMC框架中铁介质内缺陷演化动力学参数体系,实现了两种方法的数据耦合。该过程将在进一步的研究中继续完善。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM623
【图文】：

烯和碳纳米管的离位截面计算等。这一章是第二章辐照损伤理论和第四章电子散射截面理论的综合应用。第七章介绍了薄层介质中电子辐照损伤的估算。主要内容包括电子在薄层介质中的能量沉积、核阻止本领的计算、基于离位截面进行薄层中电子辐照损伤的计算、基于平均量的薄层中电子辐照损伤的计算方法、使用多重散射理论对电子实际路径的修正等，给出了 PKA 能谱、电子辐照损伤空间分布等结果。这一章是第四章中电子辐照损伤模拟过程的具体应用。第八章介绍了带电粒子在铁介质中辐照损伤演化的多尺度建模过程。主要内容包括不同种类粒子辐照损伤的差异和等效、KMC工具 MMonca 对不同缺陷的分类和建模、铁中缺陷演化动力学参数等，给出了电子、轻离子(H，He)和重离子(Fe、Kr)在铁中产生辐照损伤的情况和演化的情况。这一章是第二章、第三章和第四章所介绍理论的综合应用。论文章节之间的逻辑关系如图 1.1 所示。

随着离位方向的变化，离位阈能差别非常的可以到 100eV 以上。离位阈能越大，说明要从该对于大多数金属，其微观结构为多晶结构。这种每个微小晶体的取向是随机的。在这种材料里面，使用平均离位阈能更有实际意义。STEM E521 标准推荐的常用金属的最小离位阈能和平均属Edmin(eV) Ed(eV) 16 25 19 30—40 28*40—40 20*40 22 40 23 40管中离位阈能随离位方向在空间的变化（出自 A. Zobelllacement energy vary with the displacing direction in carbo（A. Zobelli, 2007）

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本文编号：2725792