辐射下的材料科学

辐射下的材料科学描述了辐射和物质之间的相互作用：它是涵盖了辐射作用对物质所产生的各种形态的影响的非常宽广的领域。

研究辐射下的材料科学的主要目的

现在最受关注的辐射对材料的影响来自核反应堆的内核制造技术：构成内核结构元件的原子在其工程活动期内会在辐射离子流的影响下不断的移动。辐射作用对核反应堆的影响所可能产生的后果为：内核元件的形状以及体积会发生10%范围内的改变；其硬度会增加到5倍或更多；材料的延展性将大大渐弱，同时脆性会增加，对外部环境的易感性将增强，产生裂化的可能性因此会增高。为了安全的因素考虑，理解辐射作用对材料的影响，从而创造出高耐辐射的合金以及新型材料是研究辐射下的材料科学的主要目的。

辐射作用

主条目：辐射

能够加速材料结构老化的辐射包括：中子辐射，游离辐射，电子辐射以及伽马射线辐射。所有的这些辐射类型都有强迫原子离开其所处晶格格位的特性，这是致使材料结构改变的最基本的过程。被辐射材料粒子和离子的混杂使材料和外界产生了关联并改变该材料的性质，这个过程可以用于使用加速器增快放射性废料的衰变，对现有材料使用离子注入，离子束混合，等离子体浸没离子注入以及离子束浸没沉淀等技术以产生新型材料。

材料的辐射作用的基础进程开始于高能量的粒子撞击到材料中的某一目标，这个进程包括了好几个步骤或作用，其最主要的结果是使一个原子被迫离开它所处的晶格格位，产生位移。辐射作用使一个原子离开其所处的栅格，留下了一个空的格位（一个晶格空位），而这个被移动的原子最后会停留在晶格格位间的某一位置，变成一个间隙缺陷。由一对晶格空位和间隙缺陷所组成的点缺陷体被称为弗仑克尔缺陷，它是晶体结构体受辐射后最重要和最基本的产物。弗仑克尔缺陷的产生以及其他一些辐射损害因素决定了材料的物理性质改变，同时在外力的作用下产生了力学性质的改变。经过间隙缺陷产生的过程，材料会发生膨胀，增长，相变或者偏析等变化。

入射粒子所产生的碰撞级联的2D演示

辐射损害

主条目：辐射损害

辐射损害过程定义为入射粒子流将能量传递给晶体，并将其分配于遭到撞击的原子的过程。这个过程又可以细分为几个子事件：

1. 一个高能量的入射粒子和一个处于晶格格位的原子发生碰撞；
2. 该原子获得入射粒子的动能并成为一个初级撞击原子（PKA）；
3. 初级撞击原子离开自己所处的晶格格位，产生位移；
4. 初级撞击原子在晶格间移动并撞击其他原子，产生更多级的碰撞原子；
5. 一系列的连锁反应产生了一个碰撞级联（包括由于初级撞击原子产生的晶格空位）；
6. 初级撞击原子最终在晶格的某一位置停下来并形成一个间隙缺陷。

辐射损害过程最终的结果是在晶体结构中形成大量的点缺陷聚合体（包括晶格空位以及间隙缺陷）并且由这些缺陷聚合体所组成的簇。

对晶体辐射损害最主要的量化值是单位时间中在单位体积内发生的位移量$R$：

$R=N\int _{E_{min}}^{E_{max}}\int _{T_{min}}^{T_{max}}\phi (E_{i})\,\sigma (E_{i},T)\,\upsilon (T)\,dT\,dE_{i}.$

这里：
$N$ ：原子数密度；
$E_{max}$ ， $E_{min}$：入射粒子所具有的最大和最小能量；
$\phi (E_{i})$：粒子流所产生的能量；
$T_{max}$ ，$T_{min}$ ：一个具有$E_{i}$ 能量的入射粒子可传递给一个晶格原子的最大和最小能量；
$\sigma \left(E_{i},T\right)$： 一个具有$E_{i}$ 能量的入射粒子进行的能够传递$T$能量给被撞原子的碰撞的反应截面；
$\upsilon \left(T\right)$：每个初级撞击原子进行的位移量。

上述公式中最核心的两个变量为$\sigma \left(E_{i},T\right)$和$\upsilon \left(T\right)$：$\sigma \left(E_{i},T\right)$刻画了入射粒子与其首先发生碰撞的原子（初级撞击原子）之间的能量传递；$\upsilon \left(T\right)$则代表了初级撞击原子将在晶体中进行的位移总量； 这两者合在一起描述了一个具有$E_{i}$能量的入射粒子所能引起的位移总量，上述公式则包含了入射粒子流的能量分布，其最终的结果是晶体内部所有由于该粒子流所引起的位移总量。

在辐射下的材料科学中，晶体中的原子位移损坏度（$\left[dpa\right]$ = displacements per atom in the solid ，单位原子的位移量）相对于注量（中子注量，单位为$\left[MeV\right]$ ）能够更加贴切的描述辐射作用对材料性质的影响。

相关条目

• 材料科学
• 晶体
• 辐射
• 晶格空位
• 间隙缺陷

参考文献

• Fundamentals of Radiation Material Science, Gary S. Was, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007