高能离子束与物质相互作用的微观机理研究.docx

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高能离子束与物质相互作用的微观机理研究

项目名称：

高能离子束与物质相互作用的微观机理研究

首席科学家：

肖国青中国科学院近代物理研究所

起止年限：

2010年1月-2014年8月

依托部门：

中国科学院

一、研究内容

本项目的核心是通过建立和强化特殊现象效应与实验条件的联系，充分发现和利用不同物质中离子束的行为与新现象，揭示离子束与物质相互作用的本质，为离子束及其相关技术在新型能源、特殊材料、先进信息等科学领域的重大应用提供科学支撑。

拟解决的关键科学问题和主要研究内容如下：

科学问题一：

离子束强激发产生高能量密度物质的机理

特殊离子束在物质中的能量和质量沉积模式；高能、高电荷态离子与物质作用过程中电荷态的瞬变行为；离子束瞬间高密度能量沉积引起的瞬间辐射现象和过程、物质微结构和性质变化及其探测。

主要研究内容：

（1）高电荷态重离子束与不同复杂物质体系（固体、稠密等离子体、纳米结构或薄膜等）相互作用规律，以及物质的结构效应、尺度效应、集体效应对重离子电荷态、能量沉积及靶物质电离与激发过程的影响。

（2）物质中强流离子束能量和质量沉积的多粒子输运过程及非线性效应理论和微观模型。

（3）离子束强激发产生的高能量密度状态物质以及瞬间辐射现象和过程、物质微结构和性质变化；离子束轰击产生瞬时激励信号的探测和实验方法。

（4）特殊粒子束与复杂物质相互作用理论模型与计算机模拟，开发出离子束在不同物质体系中能量沉积和输运过程的模拟软件。

科学问题二：

强离子辐照场下的物质结构损伤

离子辐照场下缺陷的产生及其演化规律；强离子辐照场下材料结构和性能演化机理；从原子尺度离子辐照缺陷的产生到宏观尺度物质结构损伤过程的建模与离子辐照损伤的多尺度模拟计算；离子辐照损伤探测新技术与方法。

主要研究内容：

（1）离子辐照初级产生的缺陷，原子尺度上的缺陷行为，缺陷与缺陷、晶粒、晶界/界面区域等结构的相互作用机制。

（2）强离子辐照损伤水平条件下，材料结构演变新现象以及强辐照损伤引起材料结构和性能演化的机理。

（3）不同载能离子/粒子辐照损伤的等价关系，环境因素（如温度、磁场、电场等）对辐照损伤效应的影响。

（4）探索从原子、介观到宏观尺度的离子辐照损伤演化过程以及相关物理模型之间的有机联系，实现离子辐照损伤过程的多尺度的模拟计算，发展微纳尺度离子辐照损伤探测新技术与方法。

科学问题三：

载能离子诱导微纳结构演变及其控制

微纳结构物质的载能离子辐照效应规律；载能离子与微纳物质结构体的相互作用机制；离子束诱导复杂物质结构体微观结构演变/相变机制与固体纳米结构的形成理论；纳米结构的晶格定向演化、精确掺杂以及结构的精细调控原理；固态相变计算机模拟及多尺度模型。

主要研究内容：

（1）载能离子引起的纳米材料的结构演变；微纳结构物质的载能离子辐照效应理论模型。

（2）载能离子作用下固体纳米结构的形成过程、机制与性能；建立固态相变计算机模拟及多尺度模型。

（3）特殊离子束处理与纳米结构的晶格定向演化、精确掺杂以及结构的精细调控机理；构建载能离子作用下固体纳米结构的形成理论。

（4）新型微纳结构的载能离子束制备，特别是尺度为几nm--几十nm的结构的控制和制备。

二、预期目标

总体目标：

本项目将重点依托国家大科学工程－兰州重离子加速器，联合国内优势力量，针对载能离子束与物质相互作用，特别是微观机理研究中尚未解决的重大科学问题，在三个方面开展多层次的综合研究：

1）离子束强激发产生高能量密度物质的机理；2）强离子辐照场下的物质结构损伤；3）载能离子诱导微纳结构演变及其控制。

研究课题将突出科学问题的原创性，促进与技术创新的结合。

通过本项目研究，揭示极端条件下离子束与物质相互作用微观物理机制，建立描述相关过程的科学理论和方法，使人们明晰如何实现离子束技术应用的新原理、新方法，对离子束与物质相互作用的认识上一个台阶。

力争在实验和理论两个方面取得标志性的成果，培养一批从事相关领域研究的优秀人才，使我国离子束与物质相互作用研究整体上进入国际先进行列，占有重要的一席之地，为我国新型材料技术发展、信息和新能源科学等国民经济和国家安全领域的重大需求奠定必要的实验基础，提供必要的理论依据和实验证据。

五年预期目标:

（1）高能高电荷态离子引起物质强电离激发过程研究：

建立高能高电荷态离子与靶原子相互作用的微观模型及实验探测方法，研究高能高电荷态离子在物质中电荷态的瞬变规律、能量沉积和输运过程，以及靶物质的电离和激化过程，为重离子束驱动聚变技术、离子束微纳制造技术及离子束辐照材料改性技术提供必要的理论支撑，并为这些技术的实际应用提供可能的实时监测和控制技术的理论与实验基础。

（2）瞬间高密度能量沉积引起的物态演化规律：

利用兰州重离子加速器等提供的强离子束，实验研究离子束瞬间高密度能量沉积在固体中引起的效应的产生过程，揭示离子瞬间高密度能量沉积引起的物质结构和性质变化规律；探究离子声学以及其它瞬间辐射等特殊物理现象；建立高能高密度离子束激励产生的瞬时信号的探测技术和实验方法；为国家在先进能源、国防、新材料技术等相关领域中的一些重大需求提供必要的理论依据和实验数据。

（3）微纳尺度离子辐照损伤过程研究：

紧密结合实验数据和从头计算方法，建立不同能量下、不同电荷态重离子和其它射线与分子、团簇等微纳尺度物质相互作用的微观动力学模型；探索离子辐照初级产生的缺陷，原子尺度上的缺陷行为，缺陷与缺陷、晶粒、晶界/界面区域等结构的相互作用机制；建立微纳尺度离子辐照损伤演化模型以及模拟计算程序；建立原子和分子尺度的离子辐照损伤探测新技术与方法。

（4）强离子辐照引起材料损伤研究：

揭示强离子辐照损伤水平条件下材料结构和性能演化的机理；揭示环境因素对材料，特别是核材料辐照损伤效应的影响，不同种类粒子辐照效应的特点、差异、相互之间的联系，建立不同载能粒子辐照损伤之间的等价关系，提供确认材料辐照损伤行为极限特性和达到改善性能的方法；实现从原子、介观到到宏观尺度的离子辐照损伤演化过程的多尺度计算机模拟计算，包括abinitio，MD，KMC等对典型微观/介观结构样品的模拟方法以及各种模拟技术之间的衔接方法，为设计在裂变/聚变堆等极端环境下应用的抗强辐射材料提供参考依据。

（5）离子束诱导微纳物质相变机制研究：

揭示载能离子作用下微纳物质的结构、性能及其控制规律；揭示粒子束与微纳物质作用过程及诱导相变机制；诠释粒子束作用下微纳材料中的一些新现象、新规律和新性能，获得具有特殊性能的新型材料。

建立载能离子作用下，固体纳米结构的形成理论和复合金属体系中固态相变的多尺度模型。

（6）微纳结构的载能离子制备、调控及其机理：

揭示载能离子束驱动可控构建纳米结构的机制，为粒子束调控、合成纳米结构新材料特别是半导体材料和光电功能材料提供理论依据；揭示不同剂量离子注入在不同半导体材料中形成纳米尺度新结构、新材料的物理机制；建立利用离子束在纳米尺度内对材料结构进行精确调控的技术工艺方法，推动离子束技术在改进材料与新器件结构制备中的应用。

（7）研究成果将发表高水平学术论文300篇以上，出版专著1-3部，申请国家发明专利15项以上；培养硕士和博士研究生100名以上，铸就一支高水平的具有创新与攻坚能力的研究队伍，形成若干个优秀创新群体；建设本领域高水平的基础研究和技术创新基地；提高在国际学术界的地位和活跃程度，进一步提升在国际合作中的地位。

三、研究方案

学术思路：

面向国家重大需求，牵引离子束与物质相互作用基础研究：

本项目将从重离子束驱动惯性约束聚变相关高能量密度物理、新一代核能系统材料评价筛选、微纳结构精确调控、新型微纳结构的制备与调控等重大需求出发，针对所需的特殊离子束和实验技术，来开展离子束与物质相互作用的基础研究工作，重点探索特殊离子束作用下的新物理效应与现象，建立利用离子束快速评价核能材料的标准，寻找微纳结构的离子束精确调控途径，满足未来先进离子束技术发展与应用的需求。

通过学科互补，突破离子束技术应用：

本项目涉及载能离子物理学、凝聚态物理学、原子物理学、光电子学、材料科学以及高能量密度物理、计算物理等学科。

本项目涉及的研究内容在单一学科的框架下很难解决，必须组织跨学科的队伍，通过学科交叉来解决问题。

为此，本项目从学科交叉的角度出发，联合了国内的优势单位组成了跨学科的研究团队，围绕同一个目标来攻克离子束与物质相互作用基础研究以及应用中的关键科学问题。

技术路线：

本项目以解决离子束与物质相互作用的关键科学问题为目标，理论、实验和计算机模拟三者相结合，获取基本数据，从不同层面描述离子束与物质相互作用的现象和规律，揭示相关物理过程微观机理，发展和建立比较完善的离子束与物质相互作用的理论，为我国未来先进离子束技术的发展提供基础理论支撑。

四、年度计划

第一年

（1）改造及完善HIRFL-CSR等离子束装置上的在束离子辐照实验条件，包括：

离子束瞬间高密度能量沉积激励产生的瞬时辐射探测以及应力波传播、离子声学等超快过程的在线实验测量系统，高电荷态离子在表面碰撞过程的实验测量系统，低温至高温条件下离子辐照靶室系统的控制及在线光学检测等，电子学插件、数据获取系统以及技术支撑条件。

（2）利用高能高电荷态重离子和脉冲重离子等束流，实验研究离子束在凝聚态物质中的能量沉积和输运过程，固体材料的局域损伤、状态变化及结构相变现象，以及离子束流参数对它们的影响；基于abinitio等计算方法、半经验方法和实验数据，开展初步的瞬间高密度能量沉积引起物质结构和性质演化的计算机模拟研究。

（3）建立探测建立高电荷态离子与表面原子的碰撞模型、高能离子与凝聚态物质和稠密等离子体相互作用的理论模型，高能重离子与微纳尺度物质原子的作用中，与靶原子核发生反应的微观输运理论模型等，并着手编制计算机模拟程序。

（4）改造和完善全γ辐射测量技术（TGRM），并利用该技术完成铁的快中子激发全γ辐射测量和数据分析，提取铁的（n，p）、（n，a）反应的截面数据。

（5）利用加速器提供离子束流辐照低放射活性合金、纳米材料/复合材料、ODS等材料，研究较大辐照位移损伤条件下，材料微观结构的变化；构建低放射性合金（主要是晶界部分）、纳米多层膜及微纳颗粒样品模型，开始用分子动力学方法模拟离子辐照下上述模型材料中缺陷的扩散与迁移，以及晶界对缺陷吸收等。

（6）研究荷能离子作用下具有特殊性能的碳基新型准一维纳米材料形成，探索离子在准一维碳纳米管中的能量、质量传输过程，碳纳米结构的损伤与组织演变及其规律及控制。

（7）利用离子束注入/辐照材料缺陷工程技术，研究缺陷控制和材料结构调制，探索新型半导体新材料合成和光电功能材料光波导制备的机理。

第二年

（1）完成上年度提出的离子辐照实验条件和技术支撑条件改进与完善目标。

（2）利用高能高电荷态重离子和脉冲重离子等束流，继续进行离子束在凝聚态物质中的能量沉积和输运过程，固体材料的局域损伤、状态变化及结构相变现象实验研究；开展离子束瞬间高密度能量沉积激励在凝聚态物质中产生的瞬时应力波及其传播行为、离子声学等的第一轮在线实验研究。

（3）开展高电荷态离子在表面的碰撞过程实验研究，确定入射离子的种类、入射能量和角度、表面原子种类对电离、激发截面的影响；完善高电荷态离子与表面碰撞的MC模拟程序。

（4）开展高能重离子束与气体放电等离子体相互作用，特别是离子束在等离子体中的能损及其电荷态效应的研究；完善模拟高能离子在稠密等离子体中传输过程的二维PIC/MC数值模拟程序，初步研究非线性动力学极化效应对重离子能量沉积的影响，并与线性理论进行比较。

（5）初步建立不同电荷态离子辐照下，原子、分子以及微纳尺度物质多电子发射理论模型、电子离子关联动力学理论模型。

（6）利用TGRM技术完成钴核素的快中子激发全γ辐射测量和数据分析，提取钴的快中子（n，p）、（n，a）截面数据。

同时开始铁、钴材料在快中子辐照下的氢/氦脆化效应研究。

（7）利用强离子辐照典型纳米结构样品及纳米颗粒镶嵌（如ODS）样品，研究材料中晶粒、晶界/界面区域等微观/介观结构的稳定性和随辐照剂量（或dpa）、温度等条件的演化过程，并观测辐照前后上述材料的微观结构及力学等物性变化；继续辐照缺陷的扩散与迁移，以及晶界对缺陷吸收的分子动力学模拟，探索多尺度模拟计算方法。

（8）研究荷能离子束驱动相变的热力学和动力学机理及小体系中与生长相关的热力学和表面反应动力学，系统探索离子束驱动纳米材料的结构演变及其对材料的宏观性能的影响规律；利用微结构分析和多尺度模拟计算方法，进行离子束诱导固态相变过程及其机理研究，探索荷能粒子作用下微纳结构物质的辐照损伤理论模型、固体纳米结构的形成理论。

（9）准备项目中期评估。

第三年

（1）完成项目中期评估，并根据评估意见适当调整研究计划。

（2）在前两年工作的基础上，进一步优化调整实验方案，继续进行高电荷态离子在表面的碰撞过程和高能高电荷态重离子束流与气体放电等离子体相互作用的补充实验研究。

模拟高能离子在稠密等离子体中传输过程，系统地分析等离子体状态参数（密度、温度、粒子的种类等）及入射离子的参数（入射速度、入射角度）对极化过程及能量沉积的影响；模拟高能离子与微纳结构物质体系的相互作用过程，系统分析体系的结构效应（或尺度效应）对电激发过程及能量沉积的影响。

（3）利用高能高电荷态重离子和脉冲重离子等束流，开展离子束瞬间高密度能量沉积在固体中产生的瞬时辐射和粒子发射现象实验研究；继续进行离子束在凝聚态物质中的能量沉积和输运过程，固体材料的局域损伤、状态变化及结构相变现象实验研究，瞬间高密度能量沉积激励在凝聚态物质中产生的瞬时应力波及其传播行为、离子声学等的实验研究，与已有的理论进行系统对比，尝试建立沉积能量密度与物质状态的关系。

（4）利用TGRM技术完成铌核素的快中子激发全γ辐射测量和数据分析，进行铁、钴、铌材料在快中子辐照下的氢/氦脆化效应研究。

（5）完成聚合物辐照样品的太赫兹时域光谱测量研究工作，提取离子径迹在太赫兹波段和紫外可见波段的电光学性质，与常规测量结果进行对比分析。

（6）开展磁场与电场环境下的高能重离子辐照实验，研究电、磁场环境下离子辐照损伤与材料，特别是核材料物性的关系；开展强流He离子及重离子辐照条件下材料中氦泡的形成与高dpa辐照损伤的关系研究；利用MD的方法，模拟研究照缺陷的扩散与迁移、晶界对缺陷吸收与晶粒/晶界的微观结构关系。

（7）研究高温H等离子体作用下碳纳米管的结构演变过程和变化规律；研究碳基准一维类金刚石和金刚石纳米材料的结构演变对材料的光电特性的影响。

（8）探索快重离子辐照材料中光波导形成机理的微观机制，研究氦离子注入纳米孔缺陷调制新型半导体新材料合成机理。

第四年

（1）深入研究外加强磁场、强电场对高能离子在稠密等离子体中传输过程的影响，包括外加电磁场对等离子体极化效应、高能离子轨迹及能量沉积的影响；继续模拟高能离子与微纳结构物质体系的相互作用过程，分析体系的结构效应（或尺度效应）对电激发过程及能量沉积的影响。

（2）利用HIRFL-CSR提供的脉冲调制高能重离子束流，继续开展离子束瞬间高密度能量沉积在固体中产生的瞬时辐射和粒子发射现象、离子声学等实验研究，尝试建立物理模型；继续实验研究离子束瞬间高密度能量沉积引起的典型固体材料中局域损伤、状态变化及结构相变现象，检验沉积能量密度与物质状态的关系；开展高密度能量沉积条件下靶物质超快加热和膨胀过程中的相关特性研究。

与实验工作配合，继续进行离子束瞬间高密度能量沉积引起的物质结构和状态演化的理论研究工作。

应用建立起来的壳模型作大规模计算，模拟研究高能密度下材料物性与能量沉积密度的关系，期望能得到新的物理结果，解释奇异的实验现象。

（3）利用TGRM技术完成镍和钒核素的快中子激发全γ辐射测量和数据分析，提取镍和钒的快中子（n，p）、（n，a）截面数据。

同时进行镍、钒材料在快中子辐照下的氢/氦脆化效应研究。

（4）完成单晶硅和GaAs辐照样品的太赫兹时域光谱测量研究工作，提取离子径迹在太赫兹波段和紫外可见波段的电光学性质，同时探索利用离子辐照单晶硅和GaAs样品制备太赫兹发射晶体的可行性

（5）继续开展不同离子种类及能损的离子辐照实验，研究材料辐照损伤与离子种类等离子参数的关系，材料中在晶粒、晶界/界面区域等微观结构附近氦泡的形成机制及其演化过程，微观/介观结构及辐照剂量（或dpa）、温度等条件对缺陷迁移、复合及吸收的影响；开展多尺度模拟工作。

（6）利用离子辐照，研究准一维硅纳米线中荷能粒子作用下的能量、质量传输过程；探讨硅纳米结构的损伤与组织演变及其规律；研究荷能离子作用下具有特殊性能的硅基新型准一维纳米材料形成过程、规律、机制及控制。

（7）继续探索快重离子辐照材料中光波导形成机理的微观机制与应用，研究离子注入新型应变材料合成机理。

第五年

（1）系统分析、整理实验及模拟结果，总结高能、高电荷态离子在物质中产生的强电离、强激发的物理规律，瞬间高密度能量沉积引起的物质结构和性质变化规律，离子声学以及其它瞬间辐射现象和过程，揭示微观机理。

（2）尝试利用低温单晶固体、泡沫材料等作靶，研究高能强流离子束轰击引起的靶物质超快加热、膨胀及压力波运动等超快过程。

（3）采用建立的微观动力学模型，在微纳尺度系统深入研究固体中离子束辐照效应以及元素掺杂的影响，同时探讨利用太赫兹时域光谱技术研究微纳尺度物质辐照性质的微观机理。

（4）完成强离子辐照核材料的实验工作，清晰认识材料中氦泡的形成与高dpa辐照损伤的关系，以及在晶粒、晶界/界面区域等微观结构附近氦泡的形成机制及其演化过程；在实验与理论模拟研究的基础上，提出优化晶界及微观结构、实现一定程度自修复工作的核材料的设计方案。

（5）研究荷能粒子束驱动相变的热力学和动力学机理及小体系中与生长相关的热力学和表面反应动力学，系统探索离子束驱动纳米材料的结构演变及其对材料的光电响应特性、气体传感特性和场电子发射性能的影响，实现对硅基准一维功能纳米结构以及新型SiGe应变材料、光波导材料结构和性能的精细调控。

（6）将不同方法的模拟软件进行集成，开发出一个能够较为全面模拟高能、高电荷态离子与物质相互作用过程的软件平台。

（7）基于前期的工作基础及面临的问题（设备建设问题及发现的新物理问题），提出解决方案，确定下一个研究计划，使此研究项目可持续发展。

（8）对项目进行全面总结，完成项目验收工作。