固体材料中快重离子辐照损伤建立过程中的离子速度效应
重离子束技术在材料研究和制备中的应用
重离子束技术在材料研究和制备中的应用材料科学是一门研究材料的性质和构造的学科，其在现代科技、电子、医学等领域中有着广泛的应用。
如何研究、制备出更优质的材料一直是材料科学家们的追求。
近年来，随着科学技术的不断发展，重离子束技术逐渐被应用于材料研究与制备中，其优异的性能在多方面得到了验证。
重离子束技术是指将带电粒子（通常是离子）加速至一定速度后，以高能束流的形式射入材料内部的技术过程。
这种技术可以控制粒子的能量、流量、轰击角度等参数，通过调整这些参数可以使得材料在粒子的轰击下发生退火、自组装、蚀刻、掺杂等反应，从而改变其结构和性质。
下面将从以下几个方面介绍重离子束技术在材料研究和制备中的应用。
一、表面改性将重离子束轰击材料表面，可以改变其表面形貌和化学性质。
通过单次甚至多次轰击可以使得表面纳米化，表面硬度和抗腐蚀性能大幅度提升。
这种技术已经在航空航天、汽车等领域得到应用。
二、材料合成以前很难合成的材料，通过重离子束技术可以轻松合成。
例如，通过重离子束轰击玻璃，可以使得玻璃变得更加耐磨、耐腐蚀，而且强度也得到了提高。
重离子束还可以用于纳米结构的制备，通过控制离子轰击的角度和能量可以呈现不同的纳米结构。
三、材料改性轰击材料可以对其内部结构进行改变，例如离子注入可以改变材料的电子结构，使得其导电性提高。
此外，重离子束还可以用于制备核反应堆的密封材料，这种材料可以快速地吸收辐射能量，有效避免核泄漏。
四、生物医学领域重离子束在生物医学领域也有着广泛的应用。
例如，通过改变生物大分子的二级和三级结构，可以影响生物体的生命活动。
同时，在肿瘤治疗中，重离子束技术可以通过高能离子束直接杀死癌细胞，而对正常细胞的伤害则很小。
综上所述，重离子束技术在材料科学中的应用是多样的。
它不但可以用于表面改性、材料合成和改性，同时在生物医学领域也有着广泛的应用。
未来，随着该技术的不断发展，它将在更多的领域中得到应用，为材料研究和制备带来更多的机遇和挑战。
加速器、重离子束及其应用-近代物理研究所
核 物 理 实 验
裂变现象的发 开始超（铀）重 热核物质性质(状态方程)， 现及应用 元素合成 素105—118合成
人工合成放射 新反应机制(深 超形变核(预言核形状的多样性) 性核素 部非弹，大质量 奇异核结构—晕结构， 新的衰变模 转移)高自旋 式
107号同位素264,265,266Bh的合成
宇宙射线的来源： • 银河宇宙射线－数百MeV-GeV高 能质子α粒子少量重离子； • 太阳宇宙射线－数百MeV高能质 子； • 范· 阿伦辐射带－数MeV的质子
辐射对航天器的危害 • 充放电效应 • 总剂量效应 • 单粒子效应－翻转，锁定，烧毁
高能离子
宇航元器件单粒子效应试验基地
近物所已与几十家航天单位、半导 体厂家、相关研究所和高校开展合作研 究；2010年，单粒子效应试验的束流时 间达770小时，占总供束时间1/6，2010 年用户提出了2500多小时的束流申请。
国防重大专项
利用HIRFL装置为我国 新一代卫星关键器件的选 用提供了重要参考依据。
束流需求
LET≥75 MeV·cm2/mg， >1000小时/年
国内只有HIRFL满足
LET<75 MeV· 2/mg， >1000小时/年 cm
航天—宇宙射线对宇航员的危害
造血系统，生殖系统，神经系统； 细胞变异，致癌作用，诱发白内障， 重离子辐照的地面模拟，找出预防措施！ 重离子辐射生物学研究
重离子束的特点
• • • •
高能量的载体—MeV/nGeV/n； 脉冲窄，可调性好—几纳秒几十纳秒； 重复频率高(10Hz)，重复性好—10-4 整体转换效率高—电能离子能量(感应加速）
可以用于惯性约束聚变！
环境和经济性能的考虑
反应堆材料辐照损伤概述
反应堆材料辐照损伤概述【摘要】随着能源问题日益严峻，发展核电成为人类缓解能源紧缺问题的重要手段之一。
当今核电站反应堆的技术已经比较成熟，但仍存在很多难以解决的技术问题。
反应堆材料的辐照损伤问题直接关系到反应堆的安全性和经济性。
本文对反应堆燃料芯块、包壳、压力容器的辐照损伤机理进行了概述，并提出一些减小辐照效应的措施。
【关键字】辐照损伤燃料芯块包壳压力容器材料一、引言随着能源问题日益严峻，发展核电成为人类缓解能源紧缺问题的重要手段之一。
当今核电站反应堆的技术已经比较成熟，但仍存在很多难以解决的技术问题。
其中，反应堆材料的辐照损伤问题尤为重要。
材料的辐照损伤问题与反应堆的安全性和经济性有密切的关系。
甚至直接关系到未来反应堆能否安全稳定运行。
关于反应堆的材料辐照损伤问题，主要包括三个方面：燃料芯块的辐照损伤，包壳的辐照损伤，压力容器的辐照损伤。
深入认识和了解这三方面的问题，并讨论有关缓解措施具有极大地研究价值。
二、水冷堆燃料芯块的辐照损伤1.燃料芯块的结构与辐照损伤水冷堆燃料芯块为实心圆柱体，由低富集度UO2粉末经混合、压制、烧结、磨削等工序制成。
为了减小轴向膨胀和PCI（芯块-包壳相互作用），芯块两端做成浅碟形并倒角。
芯块制造工艺必须稳定，以保证成品芯块的化学成分、密度、尺寸、热稳定性及显微组织等满足要求。
燃料芯块中的铀在辐照过程中会发生肿胀，造成尺寸的不稳定性和导热性能的下降。
随着燃耗的增加，铀的力学性能和物理性能将发生变化，铀将变得更硬、更脆，热导率减小，燃料包壳的腐蚀作用也在加剧。
对燃料芯块辐照损伤的认识和研究，一方面有助于了解在役燃料元件的运行状态和使用寿命，及时地发现并解决问题；另一方面根据辐照特性，可以采取适当的措施增强燃料元件的性能，进一步提高核电的经济效益。
2.辐照条件下燃料芯块微观结构的演化燃料芯块在辐照过程中，辐射与物质相互作用的方式可以分为原子过程和电子过程两大类。
原子过程主要产生位移效应，位移效应的主要产物是间隙-空位对。
离子束辐照技术的研究与应用
离子束辐照技术的研究与应用离子束辐照技术是一种利用高能离子进行微区材料加工和表面改性的先进技术。
通过离子束辐照可以改变材料的机械、电学、光学等性能，从而实现对材料的可控制改性。
离子束辐照技术被广泛应用于材料科学、电子工程、物理学等领域，并且受到了越来越多研究者的关注。
一、离子束辐照技术的原理离子束辐照技术是利用高能离子直接轰击固体表面，激发物质中的电子、内部能级以及化学键，从而改变材料的物理、化学性质和微观结构的技术。
离子束辐照是利用了离子的大量动能和电荷效应来对固体材料进行辐照的，其辐照效应不仅依赖于离子的质量和能量，还与离子束的束流密度、注入剂量和控制精度等参数有关。
离子束辐照技术可以较好地模拟宇宙射线等自然界中广泛存在的重离子辐照。
通过离子束辐照，可以有效地改变材料的物理、化学和微观结构，例如改变导电性、磁性、电荷传输等物理性质，改变化学反应和反应速率等化学性质，改变原子位置和污染原子浓度等微观结构。
二、离子束辐照技术的应用离子束辐照技术已广泛应用于多个领域，如材料科学、电子工程、物理学等。
（一）材料科学在材料科学领域，离子束辐照技术被广泛应用于材料改性和表面改性。
利用离子束辐照技术可以改变材料的表面能、表面粗糙度、导电性、腐蚀性等表面性质，提高材料的热稳定性、抗氧化性、耐腐蚀性等性能，减少材料的疲劳寿命。
离子束辐照技术在材料科学中的应用，可以直接或间接地推动材料的发展，拓宽材料的应用范围。
（二）电子工程在电子工程领域，离子束辐照技术被广泛用于半导体器件的微区加工和改性。
利用离子束辐照技术可以制备高性能、高可靠性的半导体器件，包括光学器件、微电子器件、半导体传感器等。
（三）生物医学在生物医学领域，离子束辐照技术被应用于肿瘤治疗和放射生物学研究。
离子束辐照技术具有穿透深度小、剂量分布窄、辐照剂量控制精度高等优点，可以高效地杀伤癌细胞，同时最大限度地保护健康组织，是一种理想的肿瘤治疗手段。
离子束辐照技术还可以用于研究光生物学、细胞生物学、基因组学、神经科学等生物医学领域。
离子辐照技术
离子辐照技术离子辐照技术是一种现代材料科学中的重要分支，它利用精确的离子束在材料表面或内部进行控制性改性、增强与修复等操作，从而实现光、电、热性能的提升。
自20世纪50年代初离子束技术被发明以来，一些先进的国家迅速发展该技术，并广泛应用于工业生产和科学研究领域。
近年来，我国也已经开始了大力发展离子辐照技术的新阶段。
本文将重点介绍离子辐照技术的基本原理、研究方向以及应用前景。
一、离子辐照技术的基本原理离子辐照技术是一种高能离子对材料进行改性的技术。
其基本原理是利用离子与原子核的相互作用，来改变材料的物理、化学和电学性质。
离子束加速器是产生离子束的关键设备，加速器产生的离子束会穿过样品，与材料中的原子和分子相互作用。
在离子束和材料之间的相互作用过程中，离子束会将材料中一部分原子排列发生改变，从而产生物理学、化学学、电学学等性质上的变化。
离子束的特点是能够精确地控制其能量、种类、强度、射束密度以及射束面积等参数，从而达到对材料的精细控制和改性操作，以实现所需的性能提升。
二、离子辐照技术的研究方向离子辐照技术可应用于各种材料（包括金属、陶瓷、聚合物、半导体等）的表面和内部。
典型的应用包括控制性修饰、薄膜制备和微纳加工等方面。
1.光电功能材料的制备和性能改善通过利用离子束的束控制性能优势，可以制备出具有特殊光电性质的新型材料，如各种量子点、多层膜等。
2.超硬材料的制备与强化处理利用离子束的激发、化学反应等效应，可以在材料表面产生一定程度的硬化效果，从而制备超硬材料或强化已有硬材料的强度和硬度。
3.化学气相沉积和离子注入技术利用化学气相沉积制备超薄膜，包括各种高温材料、生物医用易断塑料等。
离子注入技术可用于表面硬化和表面改性。
4.微纳加工技术离子束刻蚀是制备超微米和纳米器件的常用方法。
用于制作 MEMS 、纳米管等器件的制作，而这种微纳加工技术在生物医学、电子器件等行业都有着重要的应用。
三、离子辐照技术的应用前景离子辐照技术得到了广泛的应用，包括电子、通信、计算机、生命科学、医学等领域。
放射治疗模拟试题库与答案
放射治疗模拟试题库与答案1、()由全国人民代表大会和全国人民代表大会常务委员会制定,以主席令发布,具有高于行政法规和部门规章的效力。
A、法律B、行政法规C、部门规章D、指导性文件答案：A2、辐射防护要解决的是辐射应用与辐射危害之间的矛盾,下列关于辐射防护基本任务说法错误的是()A、辐射防护的基本任务是保护环境B、保障从事放射性工作的人员和公众的健康和安全,保护他们的后代。
C、促进原子能事业的发展D、只需要考虑经济因素,不需要考虑辐射水平答案：D3、α粒子由()构成A、一个质子B、两个质子和两个中子C、一个质子三个中子D、三个质子一个中子答案：B4、符合《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》有条件豁免要求的含Ⅴ类放射源设备,其国内生产单位或进口总代理单位可填写《含源设备有条件豁免备案申报表》,向()申报备案。
A、国务院生态环境部门B、所在地省级生态环境部门C、所在地市级生态环境部门D、所在地县级生态环境部门答案：A5、辐射事故主要指除核设施事故以外,()丢失、被盗、失控,或者放射性同位素和射线装置失控造成人员受到意外的异常照射或环境放射性污染的事件。
A、放射源B、射线装置C、非密封放射性物质D、货包答案：A6、γ射线与物质不会发生的相互作用是()。
A、光电效应B、康普顿效应C、电子对效应D、韧致辐射答案：D7、临床放射治疗的60Co放射源的缺点有()A、比活度高B、半衰期短C、射线能量高D、价格便宜答案：B8、γ远距治疗室的安全与防护,多样性原则是指采用()的产品,以防止因同一原因使执行同一功能的措施同时失效A、两个同样原理、不同厂家B、一个功能强大C、两个或两个以上不同原理、不同厂家D、两个不同原理、同一厂家答案：C9、γ射线是从()发出的。
A、核外电子放出的光子B、原子核能级跃迁退激时释放出的射线。
C、质子发出的光子D、中子发出光子答案：B10、一般来说,射线穿透能力排序正确的是()。
A、α粒子<β粒子<γ射线。
由质子单粒子效应截面预测重离子单粒子效应截面方法研究
由重离子 !00 截面预测 质子 !00 截面 的 研究开展得较早!已经发展了多个计算 模 型 ! &(' 如 "2428:59&U'.D\O&S'.0=?59=:&%'.D>8>_模型&b' 等"另外!在重离子 !00 实验 数据的基 础上建 立器件的平行 六 面 体 $O""%模 型!然 后 进 行 蒙 特卡 罗 仿 真 得 到 质 子 !00 截 面 也 是 一 种 重 要 的方法&R'"然而!使 用 重 离 子 对 器 件 进 行 辐 照 前 需 要 将 器 件 开 盖!尤 其 是 目 前 很 多 先 进 器 件 为 倒 装 器 件!它 们 在 开 盖 后 还 需 减 薄 衬 底 才 能 进行重离子 !00 实验!这样做 既会增加 实验成 本 !也 可 能 损 坏 器 件 +并 且 因 为 重 离 子 在 空 气 中 的射程短!重离子 !00 实验需 要在真空 环境中 进 行!所 以 使 用 重 离 子 辐 照 前 需 要 对 辐 照 靶 室 抽真空!较为费时"使用质子 进行 !00 实验 的 优 点 为 )由 于 中 高 能 质 子 的 穿 透 能 力 较 强 !所 以 使 用 中 高 能 质 子 进 行 实 验 无 需 开 盖 减 薄!避 免 损 坏 器 件 +质 子 辐 照 实 验 能 在 大 气 中 进 行 !无 需 抽真空!节省时间"使用质子 进行 !00 实验 不
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原 子 能 科 学 技 术 ! ! 第U%卷
存在上 述 重 离 子 !00 实 验 中 出 现 的 问 题!因 此!探 索 由 质 子 !00 截 面 预 测 重 离 子 !00 截 面的方法.拓展重离子 !00 截面 获取途 径对 评 估器件抗辐射性能具有重要价值"
离子注入扩散掺杂技术原理及应用
离子注入扩散掺杂技术原理及应用20世纪70年代，半导体离子注入获得突破，离子注入、离子刻蚀和电子束曝光技术的结合，形成集成电路微细加工新技术，推动激光技术和红外技术飞速发展促成了今天全新的电子工业、计算机工业喝光通讯技术全面发展的新局面。
由于非半导体离子注入的材料表面处理量大，体积庞大，形状复杂，所需束流强度高，故非半导体离子注入材料改性起初发展缓慢。
随着强流氮离子注入机，特别是金属蒸发真空弧离子源( MEVV A)的问世，非半导体离子技术在20世纪80年代末期得到迅速发展。
用离子注入方法可获得高度过饱和的固溶体、亚稳定相、非晶态和平衡合金等不同组织结构形成，大大改善了工件的使用性能。
目前离子注入又与各种沉积技术、扩渗技术结合形成复合表面处理新工艺，如离子辅助沉积（IAC）、离子束增强沉积（IBED）、等离子体浸没离子注入（PSII）以及PSII—离子束混简单地说，离子注入的过程，就是在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的原子的离子照射（注入）固体材料，从而在所选择的（即被注入的）区域形成一个具有特殊性质的表面层（注入层）。
合等，为离子注入技术开拓了更广阔的前景。
掺杂就是使杂质进入wafer内部，并在wafer中的某区域以一定浓度分布，从而改变器件的电学性能，掺入的杂质可以是IIIA族和V A族的元素。
利用掺杂技术，可以制作PN结、欧姆接触区、以及电阻等各种器件。
什么是离子注入呢？离子注入是将被注入元素利用离子注入机电离成带正电荷的离子，经过高压电场加速后高速轰击工件表面，使之注入工件表面一定浓度的真空处理工艺。
简单地说，离子注入的过程，就是在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的原子的离子照射（注入）固体材料，从而在所选择的（即被注入的）区域形成一个具有特殊性质的表面层（注入层）。
离子注入技术的原理如图所示：离子注入是将离子源产生的离子经加速后高速射向材料表面，当离子进入表面，将与固体中的原子碰撞，将其挤进内部，并在其射程前后和侧面激发出一个尾迹。
激光、电子束、离子束三束区别
电子束、离子束、激光束是表面工程领域内的三大载体，号称三束改性。
都具有高能量密度特性。
顾名思义电子束加工是以激发电子作为载体，离子束则以离子。
离子束加工是一种元素注入过程，具有辐照损伤、喷丸作用、表面压缩、形成表面非晶态，形成弥散化合物质点等效应，而电子束与激光束的主要作用在高能量，没有辐照、表面压缩等特性。
电子束、离子束、激光束是表面工程领域内的三大载体，号称三束改性。
都具有高能量密度特性。
顾名思义电子束加工是以激发电子作为载体，离子束则以离子。
离子束加工是一种元素注入过程，具有辐照损伤、喷丸作用、表面压缩、形成表面非晶态，形成弥散化合物质点等效应，而电子束与激光束的主要作用在高能量，没有辐照、表面压缩等特性电子束聚焦点最细最深，激光束次之，离子束最粗。
电子束聚焦直径（打孔）最小可以小于1um。
电子束由电子组成，而离子束一般由金属粒子组成，本质的原理是一样的。
都有溅射作用，对样品损伤也没一定的规律。
但对于石英材料来讲，损伤很明显。
电子束不会造成成分污染，但离子束会，相当于离子注入。
3.加工特点：电子束：（1）.束径小、能量密度高；（2）.非接触加工，加工过程中工具与加工工件之间不存在明显的机械切削力，不产生宏观应力和变形；（3）.被加工对象范围广；（4）.电子束能量高，加工速度快、效率高；（5）.电子束加工需要一套专用设备和真空系统，价格昂贵。
离子束：（1）.加工精度和表面质量高；（2）.加工材料广泛；（3）.加工方法丰富；（4）.性能好，易于实现自动化；（5）.应用范围广泛，可根据加工要求选择。
激光束：（1）.加工精度高；（2）.加工材料范围广；（3）.加工性能好；（4）.加工速度快、效率高；（5）.价格昂贵加工方法：电子束;（1）.电子束扫描曝光；（2）.电子束投影曝光；（3）.电子束表面改性。
离子束：（1）.离子束溅射去除加工；（2）.离子束溅射镀膜加工；（3）.离子束注入加工；（4）.离子束曝光加工。
重离子辐照对材料的影响
重离子辐照对材料的影响重离子辐照是一种比较新颖的材料科学研究领域，其研究内容主要是研究重离子在材料中传递的能量和电荷的影响，这种辐射对于材料性质的变化具有非常显著的影响。
一、重离子辐照的基本概念重离子辐照是指使用高能重离子束对材料进行加速辐照，将重离子束束流释放到材料中，从而引起材料中的原子和分子的电离，使得材料的电子结构及物理化学性质发生改变的过程。
重离子束的作用与其他辐射源的不同，主要表现在以下几个方面：1.重离子束具有高能量和高电荷状态，能够穿透材料厚度；2.重离子束在穿透材料过程中会产生极高的电离密度，使得材料中的原子和分子处于高电离状态；3.重离子束可以通过自身的静电相互作用和核-电子相互作用导致材料中原子的位移和重组，从而改变其电子结构和物理化学性质。
二、重离子辐照对材料的影响通过对于重离子束辐照下的材料进行实验研究，可以发现重离子束对材料性质的影响主要表现在以下几个方面：1.引起材料的物理和化学损伤重离子束对于材料中的原子和分子进行电离作用，从而导致材料中的物理和化学损伤，如层间裂纹、氧化、添加等等。
2.引起材料的硬化和塑性变形重离子束通过高电荷状态和自身的静电相互作用作用于材料中的原子和分子，从而引起材料的硬化和塑性变形。
3.引起材料的核反应和辐射损伤重离子束在穿透材料过程中会发生核反应，同时也会引起材料的辐射损伤，从而改变材料的电子结构和化学性质。
三、重离子辐照在材料研究中的应用重离子辐照虽然具有一些负面的影响，但是在材料研究中也有其独特的应用价值。
主要表现在以下几个方面：1.材料的辐射损伤研究通过对于材料的重离子辐照，可以分析和研究不同材料下辐射产生的损伤程度，从而深入了解材料的辐射损伤问题。
2.材料的物理化学性质研究重离子辐照可以引起材料的化学变化和物理变化，从而可以更好地进行材料的物理化学性质研究。
3.材料的微结构研究重离子辐照可以通过引起材料的硬化和塑性变形，从而可以更好地观察和研究材料的微结构和晶体结构。
高能离子束与物质相互作用的微观机理研究
项目名称：高能离子束与物质相互作用的微观机理研究首席科学家：肖国青中国科学院近代物理研究所起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：中国科学院一、研究内容本项目的核心是通过建立和强化特殊现象效应与实验条件的联系，充分发现和利用不同物质中离子束的行为与新现象，揭示离子束与物质相互作用的本质，为离子束及其相关技术在新型能源、特殊材料、先进信息等科学领域的重大应用提供科学支撑。
拟解决的关键科学问题和主要研究内容如下：科学问题一：离子束强激发产生高能量密度物质的机理特殊离子束在物质中的能量和质量沉积模式；高能、高电荷态离子与物质作用过程中电荷态的瞬变行为；离子束瞬间高密度能量沉积引起的瞬间辐射现象和过程、物质微结构和性质变化及其探测。
主要研究内容：（1）高电荷态重离子束与不同复杂物质体系（固体、稠密等离子体、纳米结构或薄膜等）相互作用规律，以及物质的结构效应、尺度效应、集体效应对重离子电荷态、能量沉积及靶物质电离与激发过程的影响。
（2）物质中强流离子束能量和质量沉积的多粒子输运过程及非线性效应理论和微观模型。
（3）离子束强激发产生的高能量密度状态物质以及瞬间辐射现象和过程、物质微结构和性质变化；离子束轰击产生瞬时激励信号的探测和实验方法。
（4）特殊粒子束与复杂物质相互作用理论模型与计算机模拟，开发出离子束在不同物质体系中能量沉积和输运过程的模拟软件。
科学问题二：强离子辐照场下的物质结构损伤离子辐照场下缺陷的产生及其演化规律；强离子辐照场下材料结构和性能演化机理；从原子尺度离子辐照缺陷的产生到宏观尺度物质结构损伤过程的建模与离子辐照损伤的多尺度模拟计算；离子辐照损伤探测新技术与方法。
主要研究内容：（1）离子辐照初级产生的缺陷，原子尺度上的缺陷行为，缺陷与缺陷、晶粒、晶界/界面区域等结构的相互作用机制。
（2）强离子辐照损伤水平条件下，材料结构演变新现象以及强辐照损伤引起材料结构和性能演化的机理。
（3）不同载能离子/粒子辐照损伤的等价关系，环境因素（如温度、磁场、电场等）对辐照损伤效应的影响。
热峰作用下单斜ZrO_(2)相变过程的分子动力学模拟
关键词：ZrO2, 相变, 热峰, 分子动力学 PACS：61.80.Az, 61.82.–d, 71.15.Pd, 05.70.Fh
DOI: 10.7498/aps.70.20201861
1 引 言
随着核能的不断开发利用, 高放射性核废料持 续增多, 如何有效地提高核燃料利用率并减少放射 性核废料, 已成为核能可持续发展所必须解决的关 键问题. 近年来研究发现, 在反应堆以及加速器驱 动的次临界系统中, 采用惰性基质燃料能够有效地 促进钚的回收利用和次锕系元素的嬗变, 从源头上 降低核废物中长寿命放射性元素的含量 [1,2]. 氧化 锆 (ZrO2) 陶瓷耐高温、耐腐蚀、抗辐照性能强, 是
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 70, No. 13 (2021) 136101
热峰作用下单斜 ZrO2 相变过程的分子 动力学模拟*
赵中华 1) 渠广昊 1) 姚佳池 1) 闵道敏 1) 翟鹏飞 2) 刘杰 2) 李盛涛 1)†
1) (西安交通大学电气工程学院, 电力设备电气绝缘国家重点实验室, 西安 710049) 2) (中国科学院近代物理研究所, 兰州 730000)
本文结合热峰模型和分子动力学两种方法的 优势, 对快速重离子辐照下, ZrO2 由单斜相转化为 四方相的微观过程进行模拟, 并计算诱导 ZrO2 相 变的快速重离子的电子能损阈值. 首先, 利用热峰 模型描述快速重离子入射后, ZrO2 内部电子激发、 电子-声子能量耦合、电子-电子以及声子-声子能量 传递过程, 计算得出晶格温度; 然后, 根据晶格温 度标定体系原子动能, 将其作为分子动力学模拟初 始条件, 研究 ZrO2 微观结构演化, 并通过 X 射线 衍射 (X-ray diffraction, XRD) 计算确定 ZrO2 相 变类型; 随后, 根据 Zr 原子配位数变化具体分析 ZrO2 相变过程; 最后, 改变入射离子的电子能损, 进行多次热峰计算和分子动力学模拟, 确定诱导 ZrO2 发生相变的快速重离子的电子能损阈值.
重离子加速器在工业中的应用
重离子加速器在工业中的应用随着现代科学技术的发展，重离子加速器逐渐成为高新技术产业的重要组成部分。
重离子加速器主要用于对物质的研究，可透过较高的动能改变原子、分子的结构，从而改变物质的性质。
此外，重离子加速器还可以在工业领域中发挥其独特的优势，包括微加工、表面熔化和辐射改性等。
本文就重离子加速器在工业中的应用作出探讨。
一、微加工微加工技术在现代工业中应用广泛，其重要性不言而喻。
由于重离子束具有高辐射强度、高加速度和小缩放尺寸，使得其成为一种非常理想的微加工材料。
实际上，重离子束微加工技术可以精确地制造微米级别的制品，超过了传统切割工艺。
例如，当加速器产生了一个高能量的重离子束，可将其聚焦在非常小的面积内，通过射线打磨或刻蚀化学反应，冲击物表面可以结晶，沉积不同的薄膜，甚至制造涉及到高精度结构的器件，可以避免其它模式下的误差。
当然，这种微加工技术相较于机械切割或者激光加工，相对更为昂贵。
但是使用重离子束微加工技术，我们可以达到工艺更为严格，精度更高的加工效果，这一优势显然是其他加工技术无法比拟的，而重离子加速器在这方面也有着尔虞我诈的地位。
二、表面熔化与熔合许多工业设备或制品在使用或运转过程中会遇到高温、高压、高磨损等环境，从而造成零件表面磨损严重，使得机器设备的寿命缩短。
在这种情况下，重离子加速器便可以发挥其独特的优势。
例如，当加速器将重离子束聚焦在固体表面上时，会产生温度上升和表面结晶溶解，重离子束进入固体的表面，激发了局部点燃，产生薄膜，使表面熔解产生冷却造成的快速凝固，从而实现了表面改性、熔化和熔合。
在这种情况下，重离子束的强大能量可以在非常短的时间内改变材料的物化性质，从而使其适应各种恶劣环境的要求。
例如，漆膜热喷涂涂层燃气轮机的表面改性，压缩机柴油机肆意改性等等，重离子束技术的广泛应用与推广，为这一行业的运转和发展提供了大量支持和保障。
三、臭氧净化与辐射改性臭氧净化和辐射改性是重离子加速器的全新应用，它们是使用较高的能量重离子生机制喀斯特厚肉飞溅出它们的能量，从而实现化学反应的过程。
3C-SiC辐照诱发缺陷演化及温度效应分子动力学模拟
3C-SiC辐照诱发缺陷演化及温度效应分子动力学模拟马小强;袁大庆;夏海鸿;范平;张乔丽;左走翼;艾尔肯·阿不列木;朱升云【摘要】In this paper ,the molecular dynamics method was used to simulate the dis‐placement cascade of 3C‐SiC by using LAMMPS code .The evolution of simulated radia‐tion‐induced point defects by the displacement cascade was studied at different PKA initial directions and energy .The results show that the vacancy number is irrespective with the initial direction of PKA ,and the linear relationship exists between the vacancy number and PKA energy .The variations of the transient temperature distribution and thermal spikes were investigated during displacement cascade .Through analysis ,a high temperature region produces during displacement cascade .T he size of this region chan‐ging with time is not dependent on the PKA energy .%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。
粒子与物质相互作用-第七章_2_2011
第七章一、级联碰撞荷能离子产生的损伤与溅射1、级联碰撞的概念 荷能离子的核碰撞（即弹性碰撞）会使靶原子发 生移位，即，使一部分能量传递给靶中的晶格使其进 入间隙位置，这就是初级原子移位（PKA）。
一个PKA 的出现实际上是产生了一个空位和一个间隙原子 (Frenkel pair)。
使晶格原子移位的最小能量称为移 位能或移位阈能(displacement energy)，用 Ed 表示 。
为了能够产生PKA, 所需中子能量> 1 keV, 电子能 量> 1 MeV, 离子能量> 100 eV。
1第七章荷能离子产生的损伤与溅射一般来讲，荷能离子与晶格原子碰撞会有两种 现象：一是传递给晶格原子的动能T＜Ed，则被撞击 的原子不离开晶格位置，而是以声子的形式在格点 周围振动（局域热源）；二是T＞Ed，则被撞击的原 子就可能越过势垒而离开晶格位置。
移位能的确切 计算是很复杂的，它不仅与固体的性质有关，而且 与晶格原子的反冲方向有关。
在离子束应用范围内 ，对一般靶材料，可选取Ed=20－35eV（依赖于晶体 方向）。
2第七章荷能离子产生的损伤与溅射3第七章荷能离子产生的损伤与溅射单元素金属的移位能与升华能正相关。
4第七章荷能离子产生的损伤与溅射如果移位原子的能量大于（或远大于）Ed，这 样的初级移位原子就可能象入射离子一样通过电子 激发或电离损失其能量，或者通过弹性碰撞使得其 它晶格原子移位，产生次级移位原子。
这样的过程 可以不断进行下去，直至碰撞传递的能量不足以使 得晶格原子移位。
这样一种级联碰撞移位过程就称 为级联碰撞或级联移位(collision cascade,或者 displacement cascade)，如下图。
5第七章荷能离子产生的损伤与溅射6第七章荷能离子产生的损伤与溅射TKA SKA线性级联碰撞PKA分形Energy per atom displacementsE 1E/2 2E/4 4E/2N 2N7第七章荷能离子产生的损伤与溅射2、移位原子数描述级联碰撞移位最重要的量是移位原子数。
利用重离子束开展半导体器件单粒子效应的探讨
第31卷第3期原子能科学技术V o l.31,N o.3 1997年5月A tom ic Energy Science and T echno logy M ay1997利用重离子束开展半导体器件单粒子效应的探讨刘 杰 侯明东 马 峰 程 松(中国科学院近代物理研究所,兰州,730000)讨论了利用重离子研究宇航半导体器件单粒子效应(SEE)时应重视的几个问题,即空间辐射环境中的重离子,粒子辐射对半导体器件的影响和利用重离子束进行SEE测试,以及重离子和质子在器件单粒子效应研究中的关系,最后介绍单粒子翻转重离子显微学。
关键词 重离子 单粒子效应(SEE) 半导体器件1 重离子引起的单粒子效应宇宙射线能够沉积足够多的电荷在数字半导体器件的灵敏体积内,从而改变或翻转其逻辑状态,使得器件寿命减少,如果不充分考虑单粒子效应(SEE),并缺乏保护措施,将会导致系统效率降低或失灵。
十几年前,对于没有辐照加固的元器件,当吸收剂量超过103Gy时会出现错误。
目前,随着金属氧化物半导体(M O S)器件广泛应用和集成度的增加,在剂量低于10Gy 时器件就会出现错误。
所以在现代宇航电子学系统设计中,应当充分考虑宇宙射线在电子学器件和电路中造成的单粒子翻转(SEU)现象,准确估计器件在空间的SEU率,把通过分析和实验得到的数据提供给电子学系统设计者作指导,对电子学系统进入软硬件加固,设计出抗辐照的电子学系统,使之更适合于在空间环境下的应用,并对系统在辐照环境下工作状态进行预测。
在宇宙空间环境中,质子是最丰富的离子,然后是H e、O、C、N i、Si、Fe等重离子,电荷数Z>30的重离子很少,它们都能使得电子学器件和线路出现SEU,但许多器件有很高的临界电荷阈值(Q C),只能被具有强电离的重离子翻转。
宇宙射线中的重核具有高的能量沉积率,对电子学器件或线路有很大的破坏性,由于高能量、强穿透性及受宇航器件重量的限制,完全屏蔽重离子很困难,所以建立好的重离子空间环境模型对预测器件在空间的SEU率至关重要。
重离子辐照对材料性能的影响研究
重离子辐照对材料性能的影响研究近年来，随着科技和工程领域的不断发展，重离子辐照在材料科学中扮演越来越重要的角色。
重离子辐照是指利用高能量、高速度的重离子束对材料进行辐照，其能量和速度较高，使得入射的重离子克服原子间的相互作用力，形成显著的损伤，从而对材料的性能产生影响。
首先，重离子辐照对材料的微观结构产生了显著的改变。
辐照过程中，重离子束与材料相互作用，导致材料表层产生能量沉积。
这种沉积会在材料晶格中形成截断原子行列、位错和晶体缺陷等，从而改变材料的结构。
研究发现，辐照后的材料晶界和晶格缺陷密度增加，晶粒尺寸变小，结晶度下降。
这些微观结构的变化进一步影响了材料的力学性能、导热性能以及电学性能等方面。
其次，重离子辐照对材料的力学性能产生了显著的影响。
实验研究表明，辐照过程中，材料的屈服强度和抗拉强度会发生变化。
在低剂量的辐照下，材料的屈服强度和抗拉强度会增加。
而当剂量进一步增大时，这种变化趋势会逆转。
辐照过程中，重离子所引起的晶体缺陷会导致材料内部的原子重新排列，从而改变了材料的原子间距和结构，进而影响材料的强度。
此外，辐照还可能引起材料的微裂纹和氢脆现象，进一步降低了材料的韧性。
在导热性能方面，重离子辐照对材料的影响也是不可忽视的。
研究发现，辐照后的材料热导率会出现变化。
一方面，辐照会引起材料中的晶格缺陷增加，导致晶格热阻的增加，从而降低材料的热导率。
另一方面，重离子束的能量沉积会产生局部的熔融现象，形成一系列的辐照缺陷，这些缺陷能够散射热流，进一步降低材料的热导率。
因此，重离子辐照对于导热材料的热管理具有重要意义。
此外，重离子辐照还对材料的电学性能产生了一定的影响。
辐照过程中，重离子束与原子相互作用会造成电子的电离和电子-空穴对的生成，使得材料的电导率发生变化。
研究发现，辐照后的电导率会出现不同程度的增加或减小，取决于重离子束的入射能量和剂量。
此外，重离子束还会影响材料的绝缘性能，辐照后的材料可能出现局部的电离现象，导致材料的绝缘性能下降。
重离子加速器在材料科学中的应用
重离子加速器在材料科学中的应用重离子加速器在材料学中的应用随着科学技术水平的不断提高，人们对新材料的需求日益增长，在材料科学领域中，重离子加速器技术的应用越来越受到关注。
重离子加速器技术是利用重离子束对所研究的材料进行轰击，从而引起材料的相应变化，以研究材料的性质、结构和功能。
那么，重离子加速器在材料科学中的应用有哪些呢？下面我们就来一一探讨。
1、研究材料的性质重离子加速器技术可以将重离子束轰击在材料表面，从而可以在原子、分子甚至原子核层面探测材料，进而研究材料的结构、物理性质等。
利用重离子束轰击材料后，可以产生各种专用的电子学仪器来研究材料的性质，例如：量子测试、示波器等。
由此说明，重离子加速器技术是研究材料性质的一种有效手段。
2、改变材料的结构重离子加速器技术可以改变材料原有的内部结构，从而改变材料的性质和功能。
比如说，将重离子束轰击在半导体材料表面，可以形成大量的点缺陷和空穴缺陷，从而改变了材料的导电性能和光学性能。
重离子束还可以使材料原子结构发生变化，从而改变材料晶体结构，进而使其机械强度、热稳定性等性能发生变化。
3、改善材料的性能除了改变材料的结构来改变其性能外，重离子加速器技术还可以使材料表面发生特殊变化，进而使其性能得到改善，例如制备涂层、纳米颗粒等，这种方法称为材料改性。
另外一种方法是控制材料的应力和晶粒大小来优化其性能。
重离子加速器技术的这些改良方法可以大大提高材料的性能。
4、研究材料的辐照损伤重离子加速器技术也可以用于研究辐射对材料的损伤问题，比如说辐照核排族体系过程的模拟、研究辐照损伤的机制等。
此外，重离子束的轰击会对材料产生一定的物理化学变化，从而影响材料的性能，因此用重离子加速器技术研究材料的辐照损伤也是重要的应用之一。
结论总之，重离子加速器技术在材料科学领域中的应用是多面的，它可以用于研究材料的性质、结构和功能，还可以改变材料的性能、制备涂层和纳米粒子等，进而实现优化材料性能和提高材料使用寿命。
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. H. Dammak
[9]
Ti
GeV Zr U Zr 18MeV 10—20nm
2 4MeV/u Bi
[8]
Pb
,
Kr( ) 42.9MeV/u ∆ρ
Xe(•)
,
Zr . MeV GeV , δ (Em ) U MeV , U 100eV/atom), Zr . δ C60 , C60 , δ U U U 1/30,
2.3 3(a) ,
[15, 16, 27]
, Se ,
(v
2.6×109cm/s), Se C
((∆C/C0 )/φ)e . C . (dJ/dx)
4
4 Se
( 3(a)
3(b)). Se - V (
(v Se
1.7×109cm/s),
4 Se
N. Ishikawa ( Cl—
35 238
80MeV—3.84GeV EuBa2 Cu3 Oy , EuBa2 Cu3 Oy
△ ♦)
) (
•
ε = A/dE/dx
11
1117
2.2 , . , . , . . U MeV C60 , Bi
, 2, 10
Kr 2—4 20MeV/u ,
[26]
Xe . Pb 20K
Bi
, Bi , . 18MeV Zr , TEM , ( GeV 2). U , . . , , . Pb C60
100K
, , 4MeV/u Bi
17keV/ Kr ∆ρ 1/1000; GeV nm, 4MeV/u 42.9MeV/u , ˚3 ( 10eV/A
nm 42.9MeV/u Bi . Φt Kr Xe Bi 2—4
2
E /MeV Ti Zr : Em Pb C60 U C60 δ 845 18 5550 18
[32]
,
4
((∆C/C0 )/φ)e ,
, , ,
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YIG
2004 – 12 – 31 , 2005 – 04 – 05 * (10175084, 10125522, 10475102) 1) E-mail: yfjin@
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C60 .
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,g Se g , , , ,
Se
g
. , G. Szenes (E < 0.2MeV/u, E > 7.6MeV/u) , , , . N. g ,
, ,
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(0.36 . , , ,
0.17),
ε 25—43.5keV/nm 0.23(eV/atom) , . 1 A , Rd , . , , , , Re
, v/c
32
0.3) S
(7MeV/µm), 1.1 × 10
−13
cm ( S
2 32
0.08 × 10
−13
cm ( Kr .
2 84
), ( 15MeV Ta, 750MeV
208 19
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11 11 HIGH ENERGY PHYSICS AND NUCLEAR PHYSICS
Vol. 29, No. 11 Nov., 2005
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1)
(
730000)
, , . , ,
1
0.1—300MeV/u , ( (dE/dx)e , Se ), .
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Xe , ,
2
,
(dE/dx)n / (keV·nm−1 ) 0.08 1.8 0.03 1.8 (dE/dx)e / (keV·nm−1 ) 36 43 41 44
V /(cm·ns−1 ) 2.80 0.22 6.71 0.22
Em /eV 8800 50 49000 50 10—20nm 5nm 15—25nm
3.6MeV/u) S, 650MeV
181
F, 50MeV
238
Pb YIG
666MeV ,
U
Gd3 Ga5 O12
[7]
C-RBS YIG
YIG . , , . [1, 19—22]) [5, 7], △ ♦ dE/dx YIG
1
dE/dx/ (keV · nm−1 ) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Kr S K Cu Mo Kr Xe Xe Xe Xe Pb U Pb Ta U U 7.2 6.9 13 13 18 17 19 19 25 24.6 37 36 40 37.5 47 43.5 ¯ (MeV · u−1 ) E/ 33.3 1.56 10.7 0.8 8.0 2.8 19.6 0.42 8.3 1.4 16.5 1.4 12.0 3.6 10.5 2.8 v/(×109 cm · s−1 ) 8.1 1.7 4.5 1.3 3.9 2.3 6.3 0.9 3.9 1.7 5.7 1.7 4.8 2.6 4.5 2.3
, 5
(Se=18.05keV/nm)
Se /(keV·nm−1 ) 13.50 15.44 18.05 15.46 12.81 Se /Sn 1.52±103 1.21±103 6.36±102 1.73±102 61.46
Xe
C60
Sn /(eV·nm−1 ) 8.9 12.8 28.4 89.6 208.4
ions (b) (c) (e) (d) (a) : Se Sn Xe Xe Xe Xe Xe TRIM E /GeV 1.628 1.068 0.425 0.107 0.037
[14]
(HIRFL) Xe C60 Sn Se C60 Se /Sn Raman
2.0GeV Al E , .
136
C60 V 3 3 , .
V
/(cm·ns−1 ) 4.81 3.89 2.46 1.23 0.72
.
11
1119
(e) , (d) , ,
C60 5
(a)
(b), (d) ,
(c) (a)
2 Se /πRe )
, Re δ , , δ , P Se
(b) 1460cm
−1
(c) C60 Ag (2) , , , G. Szenes g ,
A, Re (66%
Rd ), . 1 ,
−1
MeV
32
S,
63
Cu,Re ,
YIG, (CRBS) F. YIG . (v/c 0.1) , 35MeV/u
84 [17]
X Studer GeV (0.15 1.5MeV/u Kr , ) . A. Meftah E