Un átomo Knock-on primario o PKA es un átomo que se desplaza de su sitio de red por irradiación ; es, por definición, el primer átomo que una partícula incidente encuentra en el objetivo. Después de que se desplaza de su sitio de celosía inicial, la PKA puede inducir los posteriores desplazamientos del sitio de celosía de otros átomos si posee suficiente energía, o detenerse en la celosía en un sitio intersticial si no la tiene.
La mayoría de los átomos desplazados que resultan de la irradiación de electrones y algunos otros tipos de irradiación son PKA, ya que estos suelen estar por debajo del umbral de energía de desplazamiento y no tienen suficiente energía para desplazar más átomos. En otros casos, como la irradiación de neutrones rápidos, la mayoría de los desplazamientos se deben a que los PKA de mayor energía chocan con otros átomos a medida que disminuyen la velocidad para descansar. [1]
Modelos de colisión
Los átomos solo pueden ser desplazados si, tras el bombardeo, la energía que reciben excede un umbral de energía E d . Del mismo modo, cuando un átomo en movimiento choca con un átomo estacionario, ambos átomos tendrán una energía mayor que E d después de la colisión solo si el átomo en movimiento original tenía una energía superior a 2 E d . Por lo tanto, solo las PKA con una energía superior a 2 E d pueden continuar desplazando más átomos y aumentar el número total de átomos desplazados. [1] En los casos en que la PKA tiene suficiente energía para desplazar más átomos, la misma verdad es válida para cualquier átomo desplazado posteriormente.
En cualquier escenario, la mayoría de los átomos desplazados abandonan sus sitios de celosía con energías no más de dos o tres veces E d . Tal átomo chocará con otro átomo aproximadamente cada distancia interatómica media recorrida, perdiendo la mitad de su energía durante la colisión promedio. Suponiendo que un átomo que se ha desacelerado a una energía cinética de 1 eV queda atrapado en un sitio intersticial, los átomos desplazados generalmente quedarán atrapados a no más de unas pocas distancias interatómicas de las vacantes que dejan atrás. [1]
Hay varios escenarios posibles para la energía de PKA, y estos conducen a diferentes formas de daño. En el caso del bombardeo de electrones o rayos gamma , el PKA generalmente no tiene suficiente energía para desplazar más átomos. El daño resultante consiste en una distribución aleatoria de defectos de Frenkel , por lo general con una distancia de no más de cuatro o cinco distancias interatómicas entre el intersticial y la vacante. Cuando las PKA reciben energía mayor que E d del bombardeo de electrones, pueden desplazar más átomos, y algunos de los defectos de Frenkel se convierten en grupos de átomos intersticiales con las correspondientes vacantes, dentro de unas pocas distancias interatómicas entre sí. En el caso del bombardeo por átomos o iones que se mueven rápidamente, se producen grupos de vacantes y átomos intersticiales ampliamente separados a lo largo de la trayectoria del átomo o ión. A medida que el átomo se ralentiza, la sección transversal para producir PKA aumenta, lo que da como resultado grupos de vacantes e intersticiales concentrados al final de la pista. [1]
Modelos de daños
Un pico térmico es una región en la que una partícula en movimiento calienta el material que rodea su trayectoria a través del sólido durante tiempos del orden de 10-12 s. En su camino, un PKA puede producir efectos similares a los de calentar y apagar rápidamente un metal, lo que resulta en defectos de Frenkel. Un pico térmico no dura lo suficiente como para permitir el recocido de los defectos de Frenkel. [1] [2]
Se propuso un modelo diferente llamado pico de desplazamiento para el bombardeo de neutrones rápidos de elementos pesados. Con PKA de alta energía, la región afectada se calienta a temperaturas por encima del punto de fusión del material y, en lugar de considerar colisiones individuales, se podría considerar que todo el volumen afectado se "derrite" durante un corto período de tiempo. Las palabras "derretir" y "líquido" se utilizan aquí de manera vaga porque no está claro si el material a temperaturas y presiones tan altas sería un líquido o un gas denso. Al derretirse, los antiguos intersticiales y las vacantes se convierten en "fluctuaciones de densidad", ya que los puntos reticulares circundantes ya no existen en el líquido. En el caso de un pico térmico, la temperatura no es lo suficientemente alta para mantener el estado líquido el tiempo suficiente para que se relajen las fluctuaciones de densidad y se produzca el intercambio interatómico. Un rápido efecto de "extinción" da como resultado pares vacantes-intersticiales que persisten durante la fusión y la resolidificación. Hacia el final de la trayectoria de un PKA, la tasa de pérdida de energía se vuelve lo suficientemente alta como para calentar el material muy por encima de su punto de fusión. Mientras se funde el material, el intercambio atómico se produce como resultado del movimiento aleatorio de los átomos iniciado por la relajación de las tensiones locales de las fluctuaciones de densidad. Esto libera energía almacenada de estas cepas que eleva la temperatura aún más, manteniendo el estado líquido brevemente después de que desaparecen la mayoría de las fluctuaciones de densidad. Durante este tiempo, los movimientos turbulentos continúan de modo que tras la resolidificación, la mayoría de los átomos ocuparán nuevos sitios de red. Estas regiones se denominan picos de desplazamiento, que, a diferencia de los picos térmicos, no retienen los defectos de Frenkel. [1] [2]
Según estas teorías, debería haber dos regiones diferentes, cada una con una forma diferente de daño, a lo largo del camino de una PKA. Debería producirse un pico térmico en la parte anterior de la ruta, y esta región de alta energía retiene los pares de vacantes-intersticiales. Debería haber un pico de desplazamiento hacia el final del camino, una región de baja energía donde los átomos se han movido a nuevos sitios de celosía pero no se retienen pares de vacantes-intersticiales. [2]
Daño en cascada
La estructura del daño en cascada depende en gran medida de la energía de la PKA, por lo que el espectro de energía de la PKA debe utilizarse como base para evaluar los cambios microestructurales bajo el daño en cascada. En una fina lámina de oro, a dosis de bombardeo más bajas, las interacciones de las cascadas son insignificantes, y tanto los grupos de vacantes visibles como las regiones ricas en vacantes invisibles se forman mediante secuencias de colisión en cascada. Se descubrió que la interacción de cascadas en dosis más altas produce nuevos clústeres cerca de los grupos existentes de clústeres de vacantes, aparentemente convirtiendo regiones ricas en vacantes invisibles en clústeres de vacantes visibles. Estos procesos dependen de la energía PKA, y a partir de tres espectros PKA obtenidos de neutrones de fisión, auto-iones de 21 MeV y neutrones de fusión, se estimó que la energía mínima de PKA requerida para producir nuevos cúmulos visibles por interacción fue de 165 keV. [3]
Referencias
- ^ a b c d e f "El desplazamiento de átomos en sólidos por radiación". Informes sobre avances en física . 18 : 1-51. Código bibliográfico : 1955RPPh ... 18 .... 1K . doi : 10.1088 / 0034-4885 / 18/1/301 .
- ^ a b c "Sobre la naturaleza de los daños por radiación en los metales". Revista de Física Aplicada . 25 : 961. Código Bibliográfico : 1954JAP .... 25..961B . doi : 10.1063 / 1.1721810 . hdl : 2027 / mdp.39015095100270 .
- ^ "Dependencia de la energía del átomo de reacción primaria de la formación y la interacción del daño en cascada". Revista de materiales nucleares . 233–237: 1080–1084. Código Bibliográfico : 1996JNuM..233.1080S . doi : 10.1016 / S0022-3115 (96) 00446-1 .