离位原子

离位原子，是射线或入射粒子与物质相互作用造成晶体结构缺陷的现象。通常把辐照在材料中产生的宏观性质的改变归类为离位原子，而把出现性质变化以前的初始微观事件称为复位原子。它是在入射粒子与材料相互作用后的很短时间(10秒)内发生的过程。

原理入射粒子与晶格原子发生两类碰撞

①非弹性碰撞:碰撞前后不满足总动能和总动量守恒，部分动能转化为晶格原子的内能，如电子激发和电离。它可以破坏有机材料、绝缘材料和半导体中的价键，导致晶格原子或分子中的原子游离，有时可能穿越周围的势垒进入间隙位置，形成空位和填隙原子对。电子激发和电离对金属和合金只是消散能量的释热过程，不造成损伤。

②弹性碰撞:遵守总动能和总动量守恒的过程，如带电粒子与原子核的卢瑟福散射，中子与核的弹性散射等。碰撞过程中，当传递给晶格原子的能量超过离位闭能时，例如10一100eV，原子将离开它的晶格位置，留下一个晶格空位，这个原子或者其近邻原子将进入间隙位置，构成填隙原子一空位对，称弗伦克尔缺陷。低于离位闭能的被撞原子只在点阵中心位置附近作较大幅度的热振动离。

中子辐照产生的初级离位原子能谱的蒙特卡罗建立了1套中子辐照产生的初级离位原子能谱的计算方法。利用MCNP的DBCN外围卡参数的合理设置实现于计算输出文件中输出所有抽样中子的历史跟踪记录，对源粒子与靶物质作用位置、作用类型、转移能量进行统计，得到初级离位原子的能量和空间分布等信息。该方法较好地解决了蒙特卡罗计算中随机数的随机性问题和随机抽样计算的效率问题，计算效率高，结果的统计性较好，可信度高。同时可获得初级离位原子的能量分布和空间分布三维图，对于评价材料的辐照性能和后继的辐照缺陷演化研究具有重要意义。1

PKA能谱的计算原理高能中子导致材料发生离位损伤的核反应主要是弹性和非弹性散射，计算初级离位原子PKA能谱时主要考虑弹性散射和非弹性散射的贡献。中子不带电，通常只与原子核作用而受到散射，与原子核外电子发生碰撞的概率甚小，故可用钢球碰撞来描述中子与原子核间的相互作用。利用钢球碰撞模型得到中子与原子核散射的能量传递微分截面为：式中：Rn为入射中子半径；En为入射中子能量；RN为靶原子的原子核半径；σs为中子与原子核的弹性散射截面；A为靶原子的原子量。1

当中子能量较低时，在质心系内是各向同性散射；对于MeV量级的中子，散射具有明显的各向异性效应，向前散射的概率很大，且中子散射的低能传输事件占明显优势。中子弹性散射的角微分截面可按勒让德多项式展开：式中：Φ为质心系内中子的散射角；σ（En）为能量为En的中子弹性散射总截面；Pl为l项勒让德多项 式；al（En）为展开系数，与中子能量En有关。

在利用蒙特卡罗方法计算PKA能谱时，除靶物质原子阵列的设置、中子微观作用截面的应用、核反应动力学方程求解等问题外，还有两个重要的问题不容易解决：一是蒙特卡罗计算中随机数的随机性问题，二是随机抽样计算的效率问题，而这些问题将直接影响最后计算结果的可靠性和统计性。利用MCNP的 DBCN外围卡参数的合理设置实现于计算输出文件中输出所有抽样中子的历史跟踪记录，通过特征字符去辨别所有抽样中子与靶物质原子的碰撞位置、作用类型、中子能量变化情况及次级粒子能量与历史跟踪等。最后编制数值计算程序对有用信息进行统计，得到PKA能谱和深度分布等信息。1

EHR第一壁中子能谱第1个采用中国科学院等离子体物理研究所的计算模型，计算了具有EHR（Experimental Tokamak Fusion－Fission Hybrid Reactor）第一壁中子能谱分布的各向同性点源，在316不锈钢中产生的PKA能谱中316不锈钢球壳主要核素为62%Fe+18%Cr+14%Ni+3%Mo，半径为15cm，厚度为0.5cm，共抽样1000000个源中子。计算结果表明，入射中子产生的初级离位原子中Fe为55.49%、Cr为15.05%、Ni为25.87%、Mo为3.59%。1

316不锈钢中各核素的PKA能量分布特征基本一致，Fe的峰值在2keV左 右，Cr在0.2～0.3keV左右，Ni在0.9～1keV左右，Mo在0.3～0.4keV左右。各核素的 PKA能谱峰值与文献结果符合得较好。利用MCNP程序计算中子与靶物质原子的作用行为，较好地处理了随机数的随机性问题和随机抽样计算的效率问题，以及靶物质原子阵列的设置、中子微观作用截面的应用、核反应动力学方程的求解等技术问题，计算效率高，结果可信度好。

第2个计算模型是半径为0.5cm的14MeV中子面源，定向发射到底面半径5cm、厚度20cm的Fe圆柱体片。Fe的PKA产额主要集中在10～60keV左右。此外，PKA的产额分布与材料厚度有关，材料越厚，中子慢化时间越长，碰撞次数越多，相应的低能 PKA数量也会增加。1

计算机模拟的原子离位级联构型用二体碰撞近似的固体中原子碰撞级联模拟程序TCIS一1给出的级联轨迹图和缺陷密度图，考察了5一200keV的PKA在Fe中级联的空间构型特征，和不同人射离子在Fe和W中级联的构造。2

级联的描述人射离子或PKA在材料中受到多次核碰撞和电子阻止，其能量逐渐衰减。这些核碰撞中，如果靶原子接收到的能量T大于离位闭能Ed，就成为离位原子，以T一Eb (Eb一靶原子的晶格点阵结合能 ,Eb>Ed) 的动能开始运动，它可能进而产生下一代的离位原子。模拟计算一直到所有反冲原子不再能产生离位原子为止。这样就实现了一个级联的模拟。核碰撞计算用经典二体碰撞近似，原子作用势用Moliere 势。电子阻止用LSS 公式计算。

TCIS一1程序有级联图示的功能。用级联轨迹图显示原子碰撞级联的发展过程和形状。级联轨迹图是级联中所有运动原子的轨迹在某一 平面上的投影。用级联点缺陷密度图显示级联中空位或间隙原子的空间分布。点缺陷密度图是级联中所有空位或(间隙原子)在两个相互垂直的平面上的投影。2

不同入射离子的级联结构用TCIS一1程序在相同人射能量的条件下，考察了不同人射离子形成的级联的空间结构。N+、Fe+和Xe+垂直人射到Fe中级联轨迹图的比较。入射离子能量均为10kev。由它们对应的级联缺陷密度中，可以看到它们的空间结构的差别十分显著。随着人射离子质量数的增加，级联逐渐密集。N+→Fe的级联中是一长串孤立的点缺陷和小缺陷团；Fe+→Fe的级联是一个较松散的单一的级联，内部分布着若干个孤立的点缺陷；Xe+→Fe的级联是一个密集的团状结构。2

本词条内容贡献者为:

张静 - 副教授 - 西南大学