Materialvetare vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) kom ett steg närmare att förstå defektinteraktionsdynamik i kiselkarbid.

När en energisk partikel, såsom en neutron eller en jon, stöter på ett material, partikeln tränger in och skapar förskjutningar genom ballistiska processer för att slå av gitteratomer från deras jämviktslägen. Dessa utslagen atomer har ofta rörelseenergi tillräckligt hög för att förtränga andra närliggande atomer. Som ett resultat, en kaskad av atomförskjutningar skapas längs jonbanan.

Energiska joner med olika massor skapar kollisionskaskader med olika förskjutningstätheter. Tunga joner skapar täta kollisionskaskader, medan kaskader som produceras av ljusjoner och neutroner späds ut med mycket större genomsnittliga avstånd mellan förskjutningar inom varje kaskad.

Sådana kaskadtätheter är inte bara en intellektuell nyfikenhet. För många icke-metalliska material, tätheten av kollisionskaskader avgör hur lätt materialet skadas under bestrålning. Dock, effekterna av kollisionskaskadtätheten på strålningsdefektdynamiken förblev i huvudsak outforskade. Strålningsdefektdynamik förblir i allmänhet en av de mest komplexa, dåligt förstådda och starkt debatterade ämnen i strålskadegemenskapen.

Kiselkarbid används för att driva elektroniska enheter, som en transistor, som fungerar vid hög temperatur och hög spänning. Vidare, kiselkarbid har undersökts för dess genomförbarhet som kärnbränslebeklädnad.

I en studie publicerad i den 17 mars upplagan av Vetenskapliga rapporter , ett team från LLNL och Texas A&M University använde en nyligen utvecklad pulsad jonstrålmetod för att undersöka hur strålningsskador i kiselkarbid påverkas av tätheten av kollisionskaskader. Kiselkarbid är ett nukleärt keramiskt och halvbandigt halvledarmaterial. Teamet studerade systematiskt strålningsdefektdynamiken i kiselkarbid bombarderad med olika joner som skapar kollisionskaskader med densiteter inom ett brett spektrum. Forskarna använde pulserade jonstrålar för att mäta livstiden för mobila defekter och utvecklade en ny metod för att beräkna kaskadtätheten.

Teamet fann att tätare kollisionskaskader inte bara skapar mer skada utan också utvecklas mycket långsammare än utspädda kaskader. Deras arbete är den första demonstrationen att, förutom doshastigheten, defektinteraktionsdynamik i kiselkarbid beror starkt på kaskadtätheten.

"Denna studie är ett annat exempel på hur utvecklingen av nya experimentella metoder kan hjälpa oss att bättre förstå de grundläggande strålskadeprocesserna, "sa LLNL -forskaren L. Bimo Bayu Aji, huvudförfattaren till tidningen.

"Detta arbete visar att kiselkarbid förväntas skada olika i strålningsmiljöer som kännetecknas av olika neutronflöden och energier, och att varje verkligt förutsägbar modellering av strålningsskador måste inkludera defektinteraktionsdynamik, "sade Sergej Kuchejev, projektledaren för LLNL.