Pulserede ionstråler afslører ulinearitet af strålingsdefektdynamik i siliciumcarbid

Materialeforskere ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) kom et skridt tættere på at forstå defektinteraktionsdynamikken i siliciumcarbid.

Når en energisk partikel, såsom en neutron eller en ion, støder ind i et materiale, partiklen trænger ind og skaber forskydninger ved ballistiske processer med at slå gitteratomer af fra deres ligevægtspositioner. Disse slåede atomer har ofte kinetisk energi høj nok til at fortrænge andre nærliggende atomer. Som resultat, der skabes en kaskade af atomare forskydninger langs ionbanen.

Energetiske ioner med forskellige masser skaber kollisionskaskader med forskellige forskydningstætheder. Tunge ioner skaber tætte kollisionskaskader, mens kaskader produceret af lette ioner og neutroner fortyndes med meget større gennemsnitlige afstande mellem forskydninger inden for hver kaskade.

Sådanne kaskadetætheder er ikke kun en intellektuel kuriosum. For mange ikke-metalliske materialer, tætheden af ​​kollisionskaskader bestemmer, hvor let materialet bliver beskadiget under bestråling. Imidlertid, virkningerne af kollisionskaskadedensiteter på strålingsfejldynamikken forblev i det væsentlige uudforsket. Strålingsdefektdynamik forbliver generelt en af ​​de mest komplekse, dårligt forståede og stærkt omdiskuterede emner i stråleskadesamfundet.

Siliciumcarbid bruges til at drive elektroniske enheder, såsom en transistor, der arbejder ved høj temperatur og højspænding. Desuden, siliciumcarbid er blevet undersøgt for dets gennemførlighed som kernebrændselsbeklædning.

I en undersøgelse offentliggjort i 17. marts-udgaven af Videnskabelige rapporter , et hold fra LLNL og Texas A&M University brugte en nyligt udviklet pulserende ionstrålemetode til at undersøge, hvordan strålingsskader i siliciumcarbid påvirkes af tætheden af ​​kollisionskaskader. Siliciumcarbid er et nuklear keramisk og bredbånds-gap halvledermateriale. Holdet undersøgte systematisk strålingsdefektdynamik i siliciumcarbid bombarderet med forskellige ioner, der skaber kollisionskaskader med tætheder i et bredt område. Forskerne brugte pulserede ionstråler til at måle levetider for mobile defekter og udviklede en ny metode til at beregne kaskadetætheder.

Holdet fandt ud af, at tættere kollisionskaskader ikke kun skaber mere skade, men også udvikler sig meget langsommere end fortyndede kaskader. Deres arbejde er den første demonstration af, at ud over dosishastigheden, defekt interaktionsdynamik i siliciumcarbid afhænger stærkt af kaskadedensiteten.

"Denne undersøgelse er endnu et eksempel på, hvordan udviklingen af ​​nye eksperimentelle metoder kan hjælpe os med bedre at forstå de grundlæggende strålingsskadeprocesser, " sagde LLNL videnskabsmand L. Bimo Bayu Aji, avisens hovedforfatter.

"Dette arbejde viser, at siliciumcarbid forventes at skade forskelligt i strålingsmiljøer karakteriseret ved forskellige neutronfluxer og energier, og at enhver virkelig forudsigelig modellering af strålingsskader skal omfatte defektinteraktionsdynamik, " sagde Sergei Kucheyev, LLNL-projektlederen.