Lammps学习1-PKA (irradiation)

PKA (irradiation)

        在凝聚态物理学中，初级碰撞原子（PKA）是通过辐射从其晶格位置移位的原子；根据定义，它是入射粒子在目标中遇到的第一个原子。当PKA从其初始晶格位置位移后，如果它拥有足够的能量（阈值位移能量），它可以引起其他原子随后的晶格位置位移，或者如果它不具有足够的能量（阈值位移能量），则它会停留在晶格的间隙位置（间隙位置）。缺点 ）。

        大多数由电子辐照和某些其他类型的辐照产生的位移原子都是 PKA，因为这些原子通常低于阈值位移能量，因此没有足够的能量来位移更多原子。在其他情况下，例如快中子辐照，大部分位移是由于高能 PKA 在减速静止时与其他原子碰撞造成的。

碰撞模型

        只有在轰击时，原子接收到的能量超过阈值能量 Ed ，原子才会发生位移。同样，当运动原子与静止原子碰撞时，只有原始运动原子的能量超过 2Ed ，碰撞后两个原子的能量才会大于 Ed 。因此，只有能量大于 2Ed 的 PKA 才能继续取代更多原子并增加被取代原子的总数。 在 PKA 确实有足够的能量来取代更多原子的情况下，同样的道理也适用任何随后被取代的原子。

        在任何情况下，大多数移位原子离开晶格位点的能量不超过 Ed 的两到三倍。这样的原子大约每经过平均原子间距离就会与另一个原子碰撞，在平均碰撞过程中损失一半的能量。假设动能减慢至 1 eV 的原子被困在间隙位置，移位的原子通常会被困在距离它们留下的空位不超过几个原子间距离的地方。 

        PKA 的能量有多种可能的情况，这些情况会导致不同形式的损伤。在电子或伽马射线轰击的情况下，PKA 通常没有足够的能量来取代更多的原子。由此产生的损伤由随机分布的Frenkel缺陷组成，间隙和空位之间的距离通常不超过四到五个原子间距离。当 PKA 从轰击电子中接收到大于 Ed 的能量时，它们能够取代更多原子，并且一些 Frenkel 缺陷变成具有相应空位的间隙原子组，彼此之间的原子间距在几个原子间距离内。在受到快速移动的原子或离子轰击的情况下，会产生沿着原子或离子的轨道广泛分离的空位组和间隙原子。随着原子减速，产生 PKA 的截面增加，导致空位和间隙组集中在轨道末端。

损伤模型

        热尖峰是一个区域，其中移动的粒子在固体中加热其轨迹周围的材料，持续时间约为 10^12 秒。在其路径中，PKA 可以产生类似于加热和快速淬火金属的效果，从而导致 Frenkel 缺陷。热尖峰持续的时间不足以使Frenkel缺陷退火。

        还有一种称为位移尖峰的模型，用于重元素的快中子轰击。对于高能 PKA，受影响的区域被加热到材料熔点以上的温度，并且不考虑单独的碰撞，而是可以将受影响的整个体积视为短时间内“熔化”。这里使用“熔化”和“液体”这两个词是宽松的，因为尚不清楚在如此高的温度和压力下的材料是液体还是致密气体。熔化后，以前的间隙和空位变成“密度波动”，因为周围的晶格点不再存在于液体中。在热尖峰的情况下，温度不够高，不足以维持液态足够长的时间，从而使密度波动缓和并发生原子间交换。快速的“淬火”效应会导致空位-填隙对在整个熔化和再凝固过程中持续存在。在 PKA 路径的末端，能量损失率变得足够高，足以将材料加热到远高于其熔点。当材料熔化时，由于密度波动引起的局部应变松弛而引发原子随机运动，从而发生原子交换。这会释放这些应变中储存的能量，从而使温度更高，在大部分密度波动消失后短暂地保持液态。在此期间，湍流运动继续进行，因此在重新凝固时，大多数原子将占据新的晶格位置。这些区域称为位移尖峰，与热尖峰不同，它不会保留Frenkel缺陷。

        根据这些理论，沿着 PKA 的路径应该有两个不同的区域，每个区域都保留不同形式的损伤。热尖峰应该出现在路径的早期部分，并且这个高能区域保留空位-间隙对。路径末端应该有一个位移尖峰，这是一个低能区域，其中原子已移动到新的晶格位置，但没有保留空位-间隙对。

级联损伤

        级联损伤的结构强烈依赖于PKA能量，因此PKA能谱应作为评估级联损伤下微观结构变化的基础。在薄金箔中，在较低的轰击剂量下，级联的相互作用微不足道，可见的空位团簇和不可见的空位丰富区域都是由级联碰撞序列形成的。发现较高剂量级联的相互作用会在现有空位团簇群附近产生新的团簇，显然将不可见的空位丰富区域转变为可见的空位团簇。这些过程依赖于 PKA 能量，根据从裂变中子、21 MeV 自离子和聚变中子获得的三个 PKA 能谱，通过相互作用产生新的可见团簇所需的最小 PKA 能量估计为 165 keV。