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辐照效应中的级联指的是什么?

辐照级联 辐照效应 级联碰撞
发布:2021-03-24 15:40:26     来源:知乎:小侯飞氚

中子(或者其他高能粒子,原理类似)轰击材料时,会跟材料中的原子发生碰撞,把一部分能量传递给材料原子。

因为中子不带电,碰撞截面很小,在短距离内不太可能连续发生两次碰撞。因此中子撞完之后直接就溜没影了,所以接下来我们把目光放到被撞的这颗原子身上。

这颗有幸直接被中子撞击的材料原子,江湖人称PKA (primary knock-on atom),翻译过来也就是初级离位原子。

PKA本身是材料内部的普通原子,只是被中子这么一撞,赋予了很大的动能。一颗14.1 MeV的中子最多能传递几百keV的能量给PKA,这个能量足以让这颗原子摆脱周围原子的束缚(毕竟化学键也才eV级别),使其离开原本稳定位置。初级离位原子中的“离位”二字就是这么来的。

离位后的PKA并不会像中子那样一溜烟跑很远,因为原子核是带电的,PKA跟周围其他原子之间的电磁作用力非常强,导致碰撞截面很高。因此,离位后的PKA往往会在短距离内撞上周围的其他原子。PKA是初级离位原子,所以这些被PKA撞上的原子就是二级离位原子。

跟初级离位原子类似,二级离位原子也是带电的,碰撞截面也很高,所以二级离位原子又会会在短距离内碰撞,产生三级离位原子。然后三级撞四级,四级撞五级......如此循环往复,直到所有原子都耗尽动能为止。

上述这个一撞二,二撞三.......的多级碰撞过程,就成称为级联碰撞(collision cascade)。这个过程会破坏材料的正常结构,产生的损伤就称为级联损伤。下面这个视频,展示了在金属Au中,一颗10keV的PKA产生的级联碰撞。

另外,带电粒子的能量(或者说速度)越大,掠过其他原子的时间就越短,因此碰撞截面就越小。这就好比把杯子垫在纸上,抽走纸张的速度越快反而越不容易带动杯子。

所以,当PKA能量很大时,它产生的二级离位原子可能会得到足够高的动能。按照上面的分析,高动能的二级离位原子的碰撞截面较小,因此它可能要减速一段距离,才会产生级联碰撞。

如果这段距离比较大,二级离位原子就会在远离原PKA的地方产生级联碰撞。这个级联跟原PKA的级联在空间上存在明显的分隔,所以被通常称为二级/次级级联。

以上都是对单个PKA的讨论。实际辐照过程中,肯定存在不止一个中子轰击材料。当辐照剂量比较高时,已经产生过级联碰撞的周区域,也有可能再次被中子碰撞,从而产生PKA并再次发生级联碰撞。这个新的级联会和旧的级联产生一定的重叠,也就是级联重叠。

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