PKA (bestrålning)
I fysik för kondenserad materia är en primär knock-on-atom ( PKA ) en atom som förskjuts från sitt gitterplats genom bestrålning ; det är per definition den första atomen som en infallande partikel möter i målet. Efter att det har förskjutits från sitt ursprungliga gitterställe, kan PKA inducera de efterföljande gitterplatsförskjutningarna av andra atomer om det har tillräcklig energi ( tröskelförskjutningsenergi ), eller komma till vila i gittret på en interstitiell plats om den inte gör det ( interstitiell defekt ).
De flesta av de förskjutna atomerna som härrör från elektronbestrålning och vissa andra typer av bestrålning är PKA, eftersom dessa vanligtvis ligger under tröskelvärdet för förskjutningsenergi och därför inte har tillräcklig energi för att förskjuta fler atomer. I andra fall, som snabb neutronbestrålning , är de flesta av förskjutningarna ett resultat av PKA med högre energi som kolliderar med andra atomer när de saktar ner för att vila .
Kollisionsmodeller
Atomer kan bara förskjutas om, vid bombardement, energin de får överstiger en tröskelenergi E d . På samma sätt, när en rörlig atom kolliderar med en stationär atom, kommer båda atomerna att ha energi större än E d efter kollisionen endast om den ursprungliga rörliga atomen hade en energi som översteg 2 E d . Således kan endast PKA med en energi större än 2 Ed . fortsätta att förskjuta fler atomer och öka det totala antalet undanträngda atomer I de fall där PKA har tillräcklig energi för att förskjuta ytterligare atomer, gäller samma sanning för varje senare förskjuten atom.
I vilket scenario som helst lämnar majoriteten av förskjutna atomer sina gitterställen med energier som inte är mer än två eller tre gånger Ed . En sådan atom kommer att kollidera med en annan atom ungefär varje genomsnittlig interatomär sträcka som tillryggalagts, och förlorar hälften av sin energi under den genomsnittliga kollisionen. Om man antar att en atom som har saktat ner till en kinetisk energi på 1 eV blir fångad i ett interstitiellt ställe, kommer förskjutna atomer typiskt inte att fångas mer än några interatomära avstånd från de lediga platser de lämnar efter sig.
Det finns flera möjliga scenarier för energin hos PKA, och dessa leder till olika former av skador. I fallet med elektron- eller gammastrålning har PKA vanligtvis inte tillräcklig energi för att förskjuta fler atomer. Den resulterande skadan består av en slumpmässig fördelning av Frenkel-defekter , vanligtvis med ett avstånd som inte är mer än fyra eller fem interatomära avstånd mellan interstitial och vakans. När PKA:er får energi som är större än E d från att bombardera elektroner, kan de förskjuta fler atomer, och några av Frenkel-defekterna blir grupper av interstitiella atomer med motsvarande vakanser, inom några få interatomära avstånd från varandra. I fallet med bombardemang av snabbt rörliga atomer eller joner, bildas grupper av lediga platser och interstitiella atomer som är vitt åtskilda längs atomens eller jonens spår. När atomen saktar ner ökar tvärsnittet för att producera PKA, vilket resulterar i grupper av lediga platser och interstitials koncentrerade i slutet av banan.
Skada modeller
En termisk spik är ett område där en rörlig partikel värmer upp materialet som omger dess spår genom det fasta ämnet under tider av storleksordningen 10-12 s . I sin väg kan en PKA producera effekter som liknar de för uppvärmning och snabb släckning av en metall, vilket resulterar i Frenkel-defekter. En termisk spik varar inte tillräckligt länge för att tillåta glödgning av Frenkel-defekterna.
En annan modell som kallas förskjutningsspiken föreslogs för snabb neutronbombardement av tunga grundämnen. Med PKA med hög energi värms den drabbade regionen upp till temperaturer över materialets smältpunkt, och istället för att ta hänsyn till individuella kollisioner kan hela den påverkade volymen anses "smälta" under en kort tidsperiod. Orden "smälta" och "vätska" används löst här eftersom det inte är klart om materialet vid så höga temperaturer och tryck skulle vara en vätska eller en tät gas. Vid smältning blir tidigare interstitials och vakanser "densitetsfluktuationer", eftersom de omgivande gitterpunkterna inte längre finns i vätska. I fallet med en termisk spik är temperaturen inte tillräckligt hög för att bibehålla vätsketillståndet tillräckligt länge för att densitetsfluktuationer ska slappna av och interatomiskt utbyte ska inträffa. En snabb "släckande" effekt resulterar i vakans-interstitiella par som kvarstår under smältning och åter stelning. Mot slutet av vägen för en PKA blir hastigheten för energiförlust tillräckligt hög för att värma upp materialet långt över dess smältpunkt. Medan materialet smälts, sker atomutbyte som ett resultat av slumpmässig rörelse av atomerna initierad av relaxationen av lokala spänningar från densitetsfluktuationerna. Detta frigör lagrad energi från dessa stammar som höjer temperaturen ännu högre, vilket bibehåller vätsketillståndet kort efter att de flesta av densitetsfluktuationerna försvunnit. Under denna tid fortsätter de turbulenta rörelserna så att vid återstelning kommer de flesta av atomerna att uppta nya gitterplatser. Sådana regioner kallas förskjutningsspikar, som, till skillnad från termiska spikar, inte behåller Frenkel-defekter.
Baserat på dessa teorier bör det finnas två olika regioner, som var och en behåller en annan form av skada, längs vägen för en PKA. En termisk topp bör inträffa i den tidigare delen av banan, och denna högenergiregion behåller vakans-interstitiella par. Det bör finnas en förskjutningsspets mot slutet av banan, en lågenergiregion där atomer har flyttats till nya gitterplatser men inga vakans-interstitiella par finns kvar.
Kaskadskada
Strukturen av kaskadskador är starkt beroende av PKA-energi, så PKA-energispektrumet bör användas som bas för att utvärdera mikrostrukturella förändringar under kaskadskador. I tunn guldfolie, vid lägre bombarderingsdoser, är interaktionerna mellan kaskader obetydliga, och både synliga vakanskluster och osynliga vakansrika regioner bildas av kaskadkollisionssekvenser. Interaktionen mellan kaskader vid högre doser visade sig producera nya kluster nära befintliga grupper av vakanskluster, vilket uppenbarligen omvandlar osynliga vakansrika regioner till synliga vakanskluster. Dessa processer är beroende av PKA-energi, och från tre PKA-spektra erhållna från fissionsneutroner, 21 MeV-självjoner och fusionsneutroner uppskattades den minsta PKA-energi som krävs för att producera nya synliga kluster genom interaktion till 165 keV.