【摘要】：帶電粒子在材料輻照損傷的研究中有非常重要的作用。本論文以離子和電子這兩種最常用帶電粒子為研究對象,較為系統(tǒng)地研究了這兩種帶電粒子在固體介質(zhì)中的輸運(yùn)過程及其對介質(zhì)產(chǎn)生的輻照損傷。基于蒙特卡洛方法開發(fā)了能夠模擬粒子輸運(yùn)和損傷缺陷的軟件工具DEEPER(damage creation and particle transport in matter),并研究了低維碳納米結(jié)構(gòu)的離位截面、使用掃描電鏡表征大面積內(nèi)輻照空洞的方法和透射電鏡樣品在電子束輻照下輻照損傷的快速計(jì)算等幾個(gè)輻照損傷領(lǐng)域內(nèi)的具體問題。本論文還對材料輻照損傷的多尺度建模進(jìn)行了初步的探索研究。本論文的理論基礎(chǔ)為材料的輻照損傷理論和帶電粒子與物質(zhì)相互作用模型。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,形成了以PKA(Primary Knock-on Atoms)和DPA(Displacement Per Atom)為核心的輻照損傷理論,在輻照損傷效應(yīng)等效、輻照實(shí)驗(yàn)刻度和輻照損傷多尺度建模等方面發(fā)揮了重要作用。在這個(gè)基礎(chǔ)上,本論文總結(jié)了材料中原子離位損傷的產(chǎn)生過程,搜集整理了常用固體材料離位閾能的數(shù)據(jù),探索了使用多尺度建模過程中使用蒙特卡洛程序模擬初始缺陷必要的修正方法。帶電粒子與物質(zhì)的相互作用建模過程是類似的,本論文的研究基于兩體碰撞假設(shè),分開處理帶電粒子與原子相互作用的非彈性過程和彈性過程。離子和電子的非彈性過程簡化為連續(xù)能量損失,對于離子而言,該過程為電離激發(fā)過程,使用基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)能量阻止本領(lǐng)擬合公式處理;對于電子而言,該過程包括電離激發(fā)和軔致輻射兩個(gè)過程,前者使用修正Bethe公式描述,后者使用輻射阻止本領(lǐng)描述。彈性過程為帶電粒子在庫倫力下與原子核直接碰撞造成的,對于離子,在質(zhì)心系中使用幾何關(guān)系和擬合公式進(jìn)行處理;而對于電子,使用Mott散射截面和相對論能量傳遞公式進(jìn)行處理。彈性過程決定了帶電粒子傳遞給靶原子能量的大小,基于能量傳遞和輻照損傷理論對介質(zhì)中的輻照損傷過程進(jìn)行建模計(jì)算。這些理論和模型經(jīng)過評估驗(yàn)證之后使用C++語言進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn),體現(xiàn)在DEEPER軟件之中。本論文使用輻照損傷理論和Mott截面模型研究了低維碳納米結(jié)構(gòu),包括碳納米管和石墨烯,在電子輻照下的離位截面。使用由分子動(dòng)力學(xué)軟件LAMMPS(Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator)計(jì)算得到不同方向上碳原子的離位閾能、由Mott截面模型計(jì)算得到的該方向上微分截面和由相對論框架下得到的該方向上的能量傳遞計(jì)算兩種納米結(jié)構(gòu)的平均離位截面,并使用德拜模型描述碳原子在的熱振動(dòng),對離位截面進(jìn)行了修正。研究結(jié)果顯示了與前人研究的一致性,并在電子束閾能計(jì)算、高溫情況下離位截面計(jì)算和碳納米管管徑依賴等方面有所改善。使用掃描電鏡背散射電子來表征大面積上輻照損傷導(dǎo)致的空洞對于非均勻材料輻照腫脹研究非常重要,因?yàn)樵撉闆r下非均勻性使得只能表征局部空洞的常規(guī)透射電鏡方法失效。本論文使用蒙特卡洛方法對掃描電鏡背散射電子表征近表面空洞的原理、成像過程、參數(shù)優(yōu)化等方面進(jìn)行了研究。研究結(jié)果與最新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對照,肯定了該方法的可行性,也得到了該方法的局限性,有助于非均勻材料的輻照腫脹實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)。透射電鏡是研究輻照損傷微觀結(jié)構(gòu)改變的最常用工具,其所使用的電子束能量較高,有可能在樣品中造成額外的缺陷從而改變被觀察樣品本來的微觀結(jié)構(gòu)。本論文使用輻照損傷理論、基于Mott截面的平均化參數(shù)和多重散射修正研究了大量電子入射時(shí)薄層固體介質(zhì)中輻照損傷的定量計(jì)算,并使用約化參數(shù)的方法對計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理擬合,給出了在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中便于使用的電子輻照損傷快速計(jì)算公式。該公式的可行性得到了DEEPER程序模擬結(jié)果和前人固體材料離位截面數(shù)據(jù)的驗(yàn)證,提供了電子輻照時(shí)樣品的缺陷估算的實(shí)用方法。多尺度建模是目前輻照損傷模擬研究的方向,本論文基于蒙特卡洛方法(Monte Carlo,MC)和動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛方法(Kinetic Monte Carlo,KMC)進(jìn)行了鐵介質(zhì)中輻照損傷模擬的嘗試,建立了KMC框架中鐵介質(zhì)內(nèi)缺陷演化動(dòng)力學(xué)參數(shù)體系,實(shí)現(xiàn)了兩種方法的數(shù)據(jù)耦合。該過程將在進(jìn)一步的研究中繼續(xù)完善。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM623
【圖文】：

烯和碳納米管的離位截面計(jì)算等。這一章是第二章輻照損傷理論和第四章電子散射截面理論的綜合應(yīng)用。第七章介紹了薄層介質(zhì)中電子輻照損傷的估算。主要內(nèi)容包括電子在薄層介質(zhì)中的能量沉積、核阻止本領(lǐng)的計(jì)算、基于離位截面進(jìn)行薄層中電子輻照損傷的計(jì)算、基于平均量的薄層中電子輻照損傷的計(jì)算方法、使用多重散射理論對電子實(shí)際路徑的修正等，給出了 PKA 能譜、電子輻照損傷空間分布等結(jié)果。這一章是第四章中電子輻照損傷模擬過程的具體應(yīng)用。第八章介紹了帶電粒子在鐵介質(zhì)中輻照損傷演化的多尺度建模過程。主要內(nèi)容包括不同種類粒子輻照損傷的差異和等效、KMC工具 MMonca 對不同缺陷的分類和建模、鐵中缺陷演化動(dòng)力學(xué)參數(shù)等，給出了電子、輕離子(H，He)和重離子(Fe、Kr)在鐵中產(chǎn)生輻照損傷的情況和演化的情況。這一章是第二章、第三章和第四章所介紹理論的綜合應(yīng)用。論文章節(jié)之間的邏輯關(guān)系如圖 1.1 所示。

隨著離位方向的變化，離位閾能差別非常的可以到 100eV 以上。離位閾能越大，說明要從該對于大多數(shù)金屬，其微觀結(jié)構(gòu)為多晶結(jié)構(gòu)。這種每個(gè)微小晶體的取向是隨機(jī)的。在這種材料里面，使用平均離位閾能更有實(shí)際意義。STEM E521 標(biāo)準(zhǔn)推薦的常用金屬的最小離位閾能和平均屬Edmin(eV) Ed(eV) 16 25 19 30—40 28*40—40 20*40 22 40 23 40管中離位閾能隨離位方向在空間的變化（出自 A. Zobelllacement energy vary with the displacing direction in carbo（A. Zobelli, 2007）

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