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离子束辐照技术的研究与应用离子束辐照技术是一种利用高能离子进行微区材料加工和表面改性的先进技术。
通过离子束辐照可以改变材料的机械、电学、光学等性能，从而实现对材料的可控制改性。
离子束辐照技术被广泛应用于材料科学、电子工程、物理学等领域，并且受到了越来越多研究者的关注。
一、离子束辐照技术的原理离子束辐照技术是利用高能离子直接轰击固体表面，激发物质中的电子、内部能级以及化学键，从而改变材料的物理、化学性质和微观结构的技术。
离子束辐照是利用了离子的大量动能和电荷效应来对固体材料进行辐照的，其辐照效应不仅依赖于离子的质量和能量，还与离子束的束流密度、注入剂量和控制精度等参数有关。
离子束辐照技术可以较好地模拟宇宙射线等自然界中广泛存在的重离子辐照。
通过离子束辐照，可以有效地改变材料的物理、化学和微观结构，例如改变导电性、磁性、电荷传输等物理性质，改变化学反应和反应速率等化学性质，改变原子位置和污染原子浓度等微观结构。
二、离子束辐照技术的应用离子束辐照技术已广泛应用于多个领域，如材料科学、电子工程、物理学等。
（一）材料科学在材料科学领域，离子束辐照技术被广泛应用于材料改性和表面改性。
利用离子束辐照技术可以改变材料的表面能、表面粗糙度、导电性、腐蚀性等表面性质，提高材料的热稳定性、抗氧化性、耐腐蚀性等性能，减少材料的疲劳寿命。
离子束辐照技术在材料科学中的应用，可以直接或间接地推动材料的发展，拓宽材料的应用范围。
（二）电子工程在电子工程领域，离子束辐照技术被广泛用于半导体器件的微区加工和改性。
利用离子束辐照技术可以制备高性能、高可靠性的半导体器件，包括光学器件、微电子器件、半导体传感器等。
（三）生物医学在生物医学领域，离子束辐照技术被应用于肿瘤治疗和放射生物学研究。
离子束辐照技术具有穿透深度小、剂量分布窄、辐照剂量控制精度高等优点，可以高效地杀伤癌细胞，同时最大限度地保护健康组织，是一种理想的肿瘤治疗手段。
离子束辐照技术还可以用于研究光生物学、细胞生物学、基因组学、神经科学等生物医学领域。
辐照效应（radiation effects）固体材料在中子，离子或电子以及γ射线辐照下所产生的一切现象。
辐照会改变材料的微观结构，导致宏观尺寸和多种性质的变化，对核能技术或空间技术中使用的材料是个重要问题。
在晶体中，辐照产生的各种缺陷一般称为辐照损伤。
对于多数材料而言，主要是离位损伤。
入射离子与材料中的原子核碰撞，一部分能量转换为靶原子的反冲动能，当此动能超过点阵位置的束缚能时，原子便可离位。
最简单的辐照缺陷是孤立的点缺陷，如在金属中的弗仑克尔缺陷对（由一个点阵空位和一个间隙原子组成）。
级联碰撞条件下，在约10 nm 直径的体积内产生数百个空位和数百个间隙原子。
若温度许可，间隙原子和空位可以彼此复合，或扩散到位错、晶界或表面等处而湮没，也可聚集成团或形成位错环。
一般地说，电子或质子照射产生孤立的点缺陷。
而中等能量(10-100KeV)的重离子容易形成空位团及位错环，而中子产生的是两种缺陷兼有。
当材料在较高温度受大剂量辐照时，离位损伤导致肿胀，长大等宏观变化。
肿胀是由于体内均匀产生的空位和间隙原子流向某些漏（如位错）处的量不平衡所致，位错吸收间隙原子比空位多，过剩的空位聚成微孔洞，造成体积胀大而密度降低。
辐照长大只有尺寸改变而无体积变化，仅在各向异性显著的材料中，由于形成位错环的择优取向而造成。
离位损伤造成的种种微观缺陷显然会导致材料力学性能变化，如辐照硬化、脆化以及辐照蠕变等。
辐照缺陷还引起增强扩散，并促使一系列由扩散控制或影响的过程加速进行，诸如溶解，沉淀，偏聚等，并往往导致非平衡态的实现。
对于某些材料如高分子聚合物，陶瓷或硅酸盐等，另一类损伤，即电离损伤也很重要。
入射粒子的另一部分能量转移给材料中的电子，使之激发或电离。
这部分能量可导致健的断裂和辐照分解，相应的引起材料强度丧失，介电击穿强度下降等现象。
结构材料中子辐照后主要产生的效应·1）电离效应：指反应堆中产生的带电粒子和快中子与材料中的原子相碰撞，产生高能离位原子，高能的离位原子与靶原子轨道上的电子发生碰撞，使电子跳离轨道，产生电离的现象。
金属材料力学性能的辐照硬化效应
肖厦子;宋定坤;楚海建;薛建明;段慧玲
【期刊名称】《好家长》
【年(卷),期】2015(0)3
【摘要】开展金属材料力学性能的辐照硬化研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义.材料辐照损伤效应主要包括材料原子移位产生的辐照缺陷以及由核反应产生的氢、氦等气体杂质对材料性能的影响.金属材料的辐照效应主要包括辐照硬化、辐照脆化和辐照蠕变等.该文主要综述在低温(T<0.3 T_m,T_m是材料的熔点温度)和低辐照剂量下,由原子移位损伤产生的辐照缺陷所导致的辐照硬化行为,即受辐照缺陷的影响,材料的强度会升高.
【总页数】1页(P460-460)
【作者】肖厦子;宋定坤;楚海建;薛建明;段慧玲
【作者单位】北京大学工学院力学与工程科学系;北京大学工学院应用物理与技术研究中心;上海大学应用数学与力学研究所;上海大学理学院力学系;北京大学物理学院
【正文语种】中文
【中图分类】O341
【相关文献】
1.真空紫外辐照非金属材料环境效应与机理研究进展 [J], 王毅;郭兴;杨生胜;王先荣;王田刚;王小军
2.强脉冲离子束辐照金属材料表面热力学效应计算 [J], 乐小云;赵渭江;颜莎;韩宝玺;向伟
3.金属材料力学性能的辐照硬化效应 [J], 肖厦子;宋定坤;楚海建;薛建明;段慧玲
4.强激光辐照下金属材料表面热力学效应 [J], 郑瑞伦;刘俊
5.金属材料中高能重离子辐照效应的理论描述 [J], 王志光;金运范
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离子辐照技术离子辐照技术是一种现代材料科学中的重要分支，它利用精确的离子束在材料表面或内部进行控制性改性、增强与修复等操作，从而实现光、电、热性能的提升。
自20世纪50年代初离子束技术被发明以来，一些先进的国家迅速发展该技术，并广泛应用于工业生产和科学研究领域。
近年来，我国也已经开始了大力发展离子辐照技术的新阶段。
本文将重点介绍离子辐照技术的基本原理、研究方向以及应用前景。
一、离子辐照技术的基本原理离子辐照技术是一种高能离子对材料进行改性的技术。
其基本原理是利用离子与原子核的相互作用，来改变材料的物理、化学和电学性质。
离子束加速器是产生离子束的关键设备，加速器产生的离子束会穿过样品，与材料中的原子和分子相互作用。
在离子束和材料之间的相互作用过程中，离子束会将材料中一部分原子排列发生改变，从而产生物理学、化学学、电学学等性质上的变化。
离子束的特点是能够精确地控制其能量、种类、强度、射束密度以及射束面积等参数，从而达到对材料的精细控制和改性操作，以实现所需的性能提升。
二、离子辐照技术的研究方向离子辐照技术可应用于各种材料（包括金属、陶瓷、聚合物、半导体等）的表面和内部。
典型的应用包括控制性修饰、薄膜制备和微纳加工等方面。
1.光电功能材料的制备和性能改善通过利用离子束的束控制性能优势，可以制备出具有特殊光电性质的新型材料，如各种量子点、多层膜等。
2.超硬材料的制备与强化处理利用离子束的激发、化学反应等效应，可以在材料表面产生一定程度的硬化效果，从而制备超硬材料或强化已有硬材料的强度和硬度。
3.化学气相沉积和离子注入技术利用化学气相沉积制备超薄膜，包括各种高温材料、生物医用易断塑料等。
离子注入技术可用于表面硬化和表面改性。
4.微纳加工技术离子束刻蚀是制备超微米和纳米器件的常用方法。
用于制作 MEMS 、纳米管等器件的制作，而这种微纳加工技术在生物医学、电子器件等行业都有着重要的应用。
三、离子辐照技术的应用前景离子辐照技术得到了广泛的应用，包括电子、通信、计算机、生命科学、医学等领域。
铁电存储器中高能质子引发的单粒子功能中断效应实验研究佚名【摘要】利用中国原子能科学研究院的中高能质子实验平台,针对两款商用铁电存储器开展了中高能质子单粒子效应实验研究,发现其中一款器件在质子辐照下发生了单粒子翻转和单粒子功能中断.本文主要针对单粒子功能中断效应展开了后续实验研究.首先通过改变质子能量对器件进行辐照,发现单粒子功能中断截面随质子能量的提高而增加.为进一步研究器件发生单粒子功能中断的机理,利用激光微束平台开展了辅助实验,对铁电存储器的单粒子功能中断效应的敏感区域进行了定位,最后发现铁电存储器单粒子功能中断是由器件外围电路发生的微锁定导致的.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2018(067)023【总页数】7页(P226-232)【关键词】铁电存储器;中高能质子;单粒子功能中断效应【正文语种】中文1 引言1.1 铁电存储器的抗辐照背景铁电存储器(ferroelectric random access memory,FRAM)作为新型半导体存储器中的一种,与传统的随机存储器(random access memory,RAM)不同之处在于断电后能继续保持数据.它与市场上的静态随机存储器(static random access memory,SRAM)可以实现替换,可以说是SRAM和FLASH存储器最好工艺的结合[1].相较于Flash,FRAM具有更高的读写次数,更快的读写速度以及超低的功耗[2].FRAM具有高达10万亿次的读写循环,是标准电可擦可编程只读存储器(electrically erasable programmable read-only memory,EEPROM)的100万倍,写入速度为EEPROM的76倍,而功耗却只有EEPROM的3%.FRAM的工艺由铁电薄膜技术与互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)工艺结合而成,采用具有自发极化特性的钙钛矿材料作为存储介质[3−6],使得存储单元不受辐射环境中产生电荷波动的影响,从而具有优良的抗辐照性能[7,8].所有的这些优点使得FRAM自诞生之日起就在航天航空应用领域成为热门.在国内,FRAM重离子单粒子效应的相关研究已经开展.辜科等[9,10]对1 M的FRAM进行了不同种类重离子的实验研究,得到了该器件发生单粒子翻转(single event upset,SEU)的线性能量传递(linear energy transfer,LET)阈值和单粒子翻转截面以及发生单粒子闩锁的LET值并利用TCAD工具对存储单元的翻转进行了仿真;Zhang等[11]对一款4 M商用FRAM进行了重离子辐照,发现了至少六种单粒子效应,并确定是由外围电路的异常造成的.在复杂的空间辐射环境中,质子分布广泛并占据很大的比例,如宇宙射线中80%为高能质子,太阳风中95%是质子,极光辐射和范·艾伦辐射带的内带中也存在着大量质子[12].因此,对质子源引发的单粒子效应进行实验研究具有重要的意义.由于之前国内并无中高能质子加速器,所以目前国内对于FRAM质子单粒子效应方面的研究仍处于空白.直到近年来中国原子能科学研究院的中高能质子加速器成功出束,这方面的工作才得以开展.1.2 国外的工作2008年NASA在印第安纳大学对型号同为FM22L16的商用FRAM进行了地面质子辐照测试,发现了两种单粒子效应:单粒子翻转(SEU)和单粒子功能中断(singleevent function interrupt,SEFI),并得到了图1所示的SEU翻转截面随质子能量变化的趋势[13],但是并未对SEFI现象进行深入分析.2010年2月,NASA在首颗快速、经济可承受科学技术卫星(fast and af f ordable science and technology satellite,FASTSAT)上搭载一款商用FRAM进行在轨测试(辐照环境主要是质子),在一年的在轨测试时间内并未发现有单个或多个字节的翻转[14].作为新型非易失性存储器,FRAM在质子辐照下发生的单粒子效应也与传统SRAM有所不同:SRAM在相同能量质子辐照下会产生SEU[15,16],而FRAM则会产生SEU和SEFI.对比NASA的地面质子辐照测试,发现实验现象一致,但NASA对于FRAM的SEFI的研究并未深入.在实验中我们发现,SEFI出现的频率较高(如图4所示),甚至器件的失效是由SEFI引起的.所以SEFI对FRAM在质子辐照环境下正常工作状态造成的影响不可忽视,本文使用100 MeV以下的质子束流对FRAM的SEFI进行了实验.图1 不同质子能量下FRAM SEU翻转截面[13]Fig.1 .SEU cross section of FRAM verses dif f erent proton energy[13].2 实验2.1 实验器件及设备本实验选用两款产自Cypress公司的商用FRAM,型号为FM28V100和FM22L16,它们的特征尺寸分别为90 nm和130 nm,容量为1 M和4 M,后者的存储单元工艺结构为2T2C,前者未知.实验平台采用中国原子能科学研究院自主研发的100 MeV质子回旋加速器,如图2所示.它可以产生100 MeV以下的质子束流,利用降能片来实现能量的降低,通过法拉第筒进行注量率的测量,二次电子监督器对注量进行束流监督.通过束流诊断,确定中子质子比小于千分之一,束流的空间均匀性大于75%.这样的质子束流可以认为是稳定可靠的,并且能够满足本实验的要求.实验中选择90,70,50和30 MeV的质子能量,实际注量率为6.9×106p/(cm2·s).由于FRAM 的累计失效剂量高达280 K·rad(Si)以上[17,18],辐照过程中每只器件所接受的质子总剂量远远小于失效累计剂量的80%,可以忽略总剂量效应对本实验的影响.图2 中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器Fig.2 .100 MeV proton cyclotron of China institute of atomic energy.2.2 测试系统实验所用的测试系统如图3所示,测试板由ARM(advanced RISC machine)模块,FPGA(f i eld-programmable gate array)模块及电源模块组成.ARM模块接收上位机发送的配置信息及测试命令,并将这些命令解析后发送给FPGA模块,FPGA 模块输出存储器的控制时序,通过I/O接口将操作命令及控制时序信息传递给器件,对器件进行存取操作.器件读出的信息通过I/O口反馈给FPGA模块,FPGA模块分析比较器件是否发生了效应并记录这些数据,依次传递给ARM模块和上位机,使其显示并存储这些信息.图3 FRAM测试系统示意图Fig.3 .Illustration of FRAM testing system.在上述能量点下,根据器件的数据位数,分别向FRAM中填入棋盘式数据格式55或5555,然后在质子束流辐照的过程中对器件进行动态和静态的测试.动态测试通过测试系统在质子辐照过程中实时地从FRAM中读出数据,并和之前写入的棋盘式数据进行比较来判断是否发生了数据错误.静态测试在质子辐照过程中不进行读出操作,辐照结束后才开始读出数据判断是否发生了单粒子效应(single event ef f ect,SEE).2.3 实验结果与分析在上述参数的束流辐照下,FM28V100型FRAM未观察到任何单粒子效应,但是FM22L16型FRAM在辐照过程中发生了一些单粒子效应:当质子束流打开时,测试系统立刻监测到大量的瞬态错误,这些错误每隔几个周期会短暂消失,接着又重新出现(如图4所示),束流停止后器件中留下极少甚至是没有留下错误.将这个过程中发生的SEE详细地分为4种,如表1所列.动态测试中当质子注量累计较低时,器件发生软SEFI,SEU和多位翻转 (multiple-bit-upset,MBU)效应,而随着注量累计增加,器件发生了硬SEFI效应,无法读出器件的SEU和MBU信息,此时断电操作不能使器件恢复正常,视为器件发生了失效.在静态测试过程中,累计注量低时未检测到SEE,累计注量高时,发现了硬SEFI效应.在两个月后对器件进行加电测试,所有发生硬SEFI的FRAM功能恢复正常,此时可以读出器件的SEU与MBU信息.图4 FRAM在质子辐照过程中的SEFI现象Fig.4 .SEFI phenomenon of FRAM using proton irradiation.功能中断截面计算公式为其中δ为功能中断截面;n为功能中断发生时测试系统回读的错误个数;Φ为质子的注量.根据上述公式计算出功能中断截面并进行比较,发现由SEFI造成的错误截面随着质子能量的增加而增加,如图5所示(由于多只器件的失效,未能准确给出30 MeV能量下的截面数据).表1 FRAM在质子辐照过程出现中的SEETable 1 .SEE happened using proton irradiation for FRAM.效应表现Soft SEFI DUT(device under test)在测试周期中检测到大量的瞬态错误,束流停止后也消失Hard SEFI DUT在测试周期中检测到大量的瞬态错误,束流停止后不会消失SEU DUT中留下单个字节的错误,可通过重写恢复MBU DUT中留下多个字节的错误,并且错误地址连续,可通过重写恢复图5 FRAM的SEFI截面随质子能量的变化Fig.5 .FRAM SEFI cross section verses dif f erent proton energy.2.4 SEFI效应机理探索该实验中,器件SEFI效应在质子辐照环境下出现的频率较高,并且硬SEFI导致FRAM失效.SEFI对FRAM造成的影响不可忽视.为了更进一步地探索FRAM中的SEFI敏感区,使用西北核技术研究所的脉冲激光单粒子模拟装置对FM22L16存储器进行实验,使用波长为1064 nm的激光脉冲,对器件的版图从背部进行全面扫描[19].如图6所示,从版图左下角每隔25µm入射一个激光脉冲,每秒入射两个脉冲,激光的能量为5 nJ,一直到版图的右上角结束.在激光扫描的过程中对FRAM预先写入数据再进行动态的回读测试,并同时观察测试过程中是否会出现错误,一旦有SEFI 效应发生,立刻停止激光扫描,并记录下该点坐标,然后继续测试.结果发现激光脉冲在器件的整个外围电路中扫描(图6中A,B区域)均能够引起SEU 效应,存储阵列C区内的激光脉冲不能引发任何单粒子效应,能够引发SEFI效应的区域只有在外围电路中的某一块区域,如图6中B区红点所示.需要指出的是,脉冲激光的直径远远小于图中红点的直径,红点表示SEFI敏感区所在的范围,并非单一点.另外当激光能量小于5 nJ时,可被监测的敏感点个数减少,而激光能量大于5 nJ时,可被监测的敏感点个数增加.在FRAM的电源输出端串联一个100 Ω的分压电阻,利用高频示波器监测波形,结果发现在使用激光微束造成器件SEE时,伴随着每次SEFI的发生,器件的电源输出端都能捕捉到一个微电流的产生(如图7所示),并且在该SEFI过程中的所有出错地址均是连续的.显然FRAM的外围电路才是其SEE敏感区,而红点所在区域是器件SEFI敏感区.FRAM的外围电路基于传统的CMOS工艺加工而成,而集成电路中CMOS工艺易受辐射环境的影响[20−22],特别是缓存器和寄存器,受到辐射环境的影响会导致短暂的读写错误,甚至是功能中断[23].图8(a)所示是一个简化的可控硅电路原理图,Vdd和Vss通过寄生电阻分别与PNP和NPN双极管的基极相连,寄生电阻的存在使其通常保持在关闭的状态,但是当任何一个双极管基极的偏置增加时,电路中流动的电流会增大.一旦双极管的电流增益大于1,电路中的电流再生,直到两个双极管饱和,此时由于流过可控硅结构的电流过大,实际上改变了硅的有效掺杂状态,使其阻值变低[24].图6 FM22L16 FRAM中的SEFI敏感区域Fig.6 .SEFI Sensitivity area ofFM22L16 FRAM.图7 伴随SEFI效应产生的电流波Fig.7 .Electric wave of FRAM accompanied with SEFI.图8 (a)电子电路中寄生的可控硅结构;(b)简化的可控硅原理图Fig.8 .(a)Silicon controlled rectif i er parasitic in digital circuits;(b)simplif i ed silicon controlled rectif i er .在本实验的辐射环境中,质子带一个单位的正电荷,由于其原子质量很轻,所以在物质中的穿透能力较强.当能量低于3 MeV的质子入射到电子器件中时,会通过直接电离的方式在硅中沉积出电子-空穴对,改变电子器件的逻辑或工作状态,这在纳米级尺寸的器件中表现较为突出[16].而本实验选择的中高能质子穿透器件时,库仑力对质子的阻碍能力减弱,此时质子主要与材料物质发生核反应生成重离子和其他次级粒子,重离子带有更多单位的正电荷,并且原子质量较重,穿透能力较弱,会在相对较短的路径中通过直接电离的方式,产生电子-空穴对.而对激光脉冲而言,激光入射器件时,光子被材料吸收,沿着其入射方向电离出电子-空穴对[25],这与低能质子及重离子的直接电离过程十分相似.辐照环境产生的载流子的积累会使得CMOS工艺中的可控硅结构打开,图8(b)所示为电子电路中的可控硅结构示意图,电子空穴对在衬底中被Vss至Vcc的内部电场所收集,电流流过内部寄生衬底电阻时,基极的偏置增大,电路中流动的电流会增大.如果偏置足够高,可控硅结构被触发进入电流再生模式,器件发生单粒子锁定,测试系统对器件失去控制,直到给器件断电,并重新加电才能恢复正常[26,27].在本实验中SEFI发生时,测试系统并未对器件失去控制,因此可以认为可控硅结构中未达到电流增益状态,而是发生了微锁定现象,此时寄生可控硅结构中有电流流过,PMOS管和NMOS管的开关作用失效.FRAM的数据读取和写入过程的顺利执行是有外围电路中的寄存器参与的,这些寄存器中有命令寄存器和地址寄存器,用来响应电路外部传入的命令代码和地址信号.在外围电路的寄存器发生微锁定时,产生了如图7所示的微小电流,其持续的时间为激光或质子在材料中产生的电子-空穴能够维持可控硅结构的寄生二极管中基极正向偏置的时间.在这个时间内,寄存器无法响应,FRAM的读出功能失效,测试系统回读出大量的错误,当这个时间结束后,电流消失,寄存器恢复正常,测试系统读出正确的数据,上一个周期中读出的错误消失,直到下一次微锁定发生时这种情况再次出现,如图4所示.随着质子能量的增高,通过核反应产生的次级重离子种类和能量也增加,在硅衬底中电离出的电子-空穴对随之增加,外围寄存器发生微锁定效应的时间越长,测试系统回读的错误数越多,导致FRAM的功能中断截面随着质子能量的增加而增加.在NASA对Intel生产的微处理器理器(microprocessor)、协处理器(coprocessor)、集成外围(integrated peripheral)的辐照效应研究中,发现其中某一个部分发生SEU均会导致其他两个部分随之发生SEE,推测这是由于各部分的总线连接造成的[28].因此认为,外围电路中发生的微锁定电流,通过总线的连接可以在器件的输出端被观测到,如图7所示.3 结论本文对两款商用FRAM开展了质子单粒子实验研究,通过比较两款器件在质子辐照下的表现,发现特征尺寸对FRAM的SEE敏感性的影响与传统SRAM不同,虽然FM28V100的特征尺寸比FM22L16小,但FM28V100在90 MeV以下的质子能量辐照下未发生SEE,反而是特征尺寸较大的FM22L16出现了SEE.这是因为FM28V100的容量比FM22L16小,外围电路面积也比后者小,导致SEE敏感单元(如寄存器)在版图布局中的比例小,在相同的质子辐照环境下未发生SEE.利用不同能量的质子束流对FRAM进行辐照,FM22L16型FRAM在30—90 MeV的质子能量下均能检测到SEFI效应,并且器件SEFI截面随着质子能量的增加而增加.通过激光微束的辅助实验,发现器件发生SEU效应的敏感区分布在整个外围电路中,而器件发生SEFI的敏感区只分布在外围电路中的某一块区域.本文认为外围电路中参与读写过程的寄存器在辐照环境下发生了微锁定,使其在读取数据的过程中失效,导致数据读取失败.与单粒子锁定现象不同,微锁定产生的电流未超过FRAM的正常工作电流(15 mA),可以自主恢复.这个电流持续的时间决定了FRAM的功能中断截面的大小.最后利用高频示波器在激光脉冲辐照器件时,对FRAM的输出电流进行同步采样,发现伴随着SEFI效应的发生,输出端会俘获到一段瞬态电流,为器件发生SEFI效应机理提供了支撑.参考文献【相关文献】[1]Dahl B A,Cruz-Colon J,Baumann R C,Rodriguez J A,Zhou C,Rodriguez-Latorre J,Khan S,San T,Trinh T 2015 IEEE Radiation Ef f ects Data Workshop(REDW)Boston,MA,USA,July 13–17,2015 p1[2]Zhou Y C,Tang M H 2009 Materials Review 23 1(in Chinese)[周益春,唐明华 2009材料导报23 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高能重离子辐照的低活化钢硬化效应丁兆楠;杨义涛;宋银;张丽卿;缑洁;张崇宏;罗广南【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2017(066)011【摘要】In order to study the irradiation responses of reduced activation ferritic/martensitic (RAFM) steels which are candidates for fusion reactors,a reduced activation steel is irradiated at a terminal of HIRFL (heavy ion research facility in Lanzhou) with 63 MeV 14N ions and 336 MeV 56Fe ions at-50 ℃C.The energies of the incident N/Fe ions are varied from 0.22 MeV/u to 6.17 MeV/u by using an energy degrader at the terminal,so that a plateau region of an atomic displacement damage (0.05-0.2 dpa) is obtained from the near surface to a depth of 24 μm in the specimens.Nanoindentation technique is used to investigate the nano-hardness changes of the samples before and after irradiation.The constant stiffness measurement is used to obtain the depth profile of hardness.The Nix-Gao model taking account of the indentation size effect (ISE) is used to fit the measured hardness and thus a hardness value excluding ISE is obtained.Consequently,the soft substrate effect for lower energy ion irradiation is effectively avoided.It is observed that there seems to be a power function relationship between the hardness and damage for the RAFM steel.The hardness initially increases significantly with the increase of irradiation damage,then increases slowly when the damage reaches toabout 0.2 dpa.Positron annihilation is performed to investigate the defect evolution in the material.The positron annihilation lifetime spectra show that the long-lifetime proportion of the RAFM steel increases significantly after being irradiated.This means vacancy clusters are produced by the irradiation,resulting in the change of mechanics property.Even at low irradiation dose,point defects with high density are generated in the steel specimens,and subsequently aggregate into defect clusters,thereby suppressing the dislocation slip.The defect concentration in the material increases continuously with the increase of irradiation damage,which leads to the obvious irradiation hardening phenomenon.When the damage is higher than 0.1 dpa,the increment of mean lifetime gradually decreases due to the existence of a large number of vacancies and dislocations,and it eventually tends to be saturated,which explains why the irradiation hardening increment rate decreases with the increase of irradiation damage in the material.%为了探讨聚变堆候选低活化钢的抗辐照性能,在兰州重离子加速器国家实验室HIRFL的材料辐照终端,利用63 MeV的14N离子和336 MeV的56Fe离子在-50℃C下对一种国产低活化钢进行辐照实验.借助离子梯度减能装置,使入射离子能量在0.22-6.17 MeV/u之间变化,从而在样品表面至24 μm深度范围内产生0.05-0.20 dpa的原子离位损伤坪区.利用纳米压痕仪测试样品辐照前后的显微硬度,通过连续刚度测量(constant stiffness measurement)得到低活化钢硬度的深度剖面信息.使用Nix-Gao模型很好地描述了纳米压痕硬度随深度递减的现象(压痕尺寸效应,indentation size effect),从而有效避免了低能离子辐照的软基体效应(softer substrate effect).正电子湮灭寿命谱显示低活化钢在辐照之后长寿命成分增加,说明样品中产生了大量缺陷形成空位团,从而导致了材料力学性能的变化,在离子辐照剂量增加至0.2 dpa时,平均寿命Tm增加量逐渐变慢,材料中辐照产生的缺陷趋于饱和.【总页数】9页(P54-62)【作者】丁兆楠;杨义涛;宋银;张丽卿;缑洁;张崇宏;罗广南【作者单位】中国科学院近代物理研究所,兰州 730000;中国科学院近代物理研究所,兰州 730000;中国科学院近代物理研究所,兰州 730000;中国科学院近代物理研究所,兰州 730000;中国科学院近代物理研究所,兰州 730000;中国科学院近代物理研究所,兰州 730000;中国科学院等离子体物理研究所,合肥230031【正文语种】中文【相关文献】1.高温氘离子辐照对低活化钢微观结构的影响 [J], 刘平平;詹倩;赵明忠;万发荣;大貫惣明2.低温下高能重离子辐照低活化铁素体/马氏体钢CLF-1的微硬度变化行为研究[J], Ding Zhaonan;Zhang Chonghong;Yang Yito;Chen Yuguang;Zhang Xianlong;Song Yin;Ma Tongda;Xu Yuping;Luo Guangnan3.低活化铁素体/马氏体钢离子辐照后的微观结构变化 [J], 赵飞;万发荣4.一种低活化铁素体／马氏体钢的高能重离子辐照效应研究 [J], 张崇宏;杨义涛;宋银;J.S.Jang;孙友梅;金运范;李炳生5.高能重离子辐照下国产RPV钢A508-3的硬化行为 [J], 丁兆楠;张宪龙;陈宇光;杨义涛;张崇宏;刘向兵;薛飞因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
重离子加速器在材料科学中的应用研究重离子加速器是一种重要的物理设备，它可以将离子加速到极高速度，并将其撞击到材料上，从而使材料发生一系列的物理和化学变化。
这种加速装置在材料科学中的应用非常广泛，可以用来研究材料的物理、化学和结构等方面的性质，从而为材料的研究和应用提供重要的理论和实践基础。
本文将介绍重离子加速器在材料科学中的应用研究。
一、重离子加速器的基本原理和结构重离子加速器是一种利用电场和磁场加速离子到高速度的设备，其基本原理是利用电场所产生的加速力将离子加速到一定速度，并通过磁场对其进行引导，使其撞击到材料上。
重离子加速器的主要结构包括离子源、加速器和靶材。
离子源是产生离子束的地方，它可以采用不同的方法产生不同的离子束。
加速器是将离子束加速到高能的中心部件，其主要由加速单元、转弯磁铁和束流诊断仪等组成。
而靶材则是接受离子束撞击的地方，它可以用于研究材料的结构、性质和应用等方面。
二、重离子加速器在材料科学中的应用1、材料的微观结构研究重离子加速器可以用来研究材料的微观结构，通过将离子束撞击到材料表面，观察材料的晶体结构和微观形态的变化，从而对其物理和化学性质进行研究。
这种方法可以较好地研究材料的内部结构、界面结构、位误差和微观缺陷等方面的问题，对于了解材料的性质和性能具有重要的意义。
2、辐照效应研究重离子加速器可以模拟材料在高剂量辐照环境下的行为，对于原子、离子和辐射对材料的影响进行研究。
这种研究对于材料在核电站、太空船和卫星等辐射环境下的安全性和稳定性研究具有重要的意义。
3、材料的离子束刻蚀重离子加速器可以用来进行离子束刻蚀，该刻蚀方法可以制造出非常高质量的微机电系统，并具有非常高的工业应用价值。
离子束刻蚀可以实现材料的微纳加工，从而使材料的表面形貌和性质得到改善和优化。
4、材料的硬化和增韧重离子加速器可以用来研究材料的硬化和增韧性，通过控制离子束的能量和束流密度，使其能够对材料表面进行磨损和增强处理。
热中子辐照法的原理及应用1. 热中子辐照法的原理热中子辐照法是一种实验方法，用于研究材料在高能中子束照射下的行为。
该方法利用高功率中子源产生的高能中子束辐照材料，通过对辐照材料进行一系列物理、化学和力学性能测试，确定材料的辐照损伤行为。
热中子辐照法的原理基于以下几个主要原理：1.中子与材料相互作用：中子与材料相互作用，主要包括核反应、散射和吸收等。
辐照材料中的原子核会与中子发生核反应，导致原子核的激发、衰变或转变成其他核素。
不同的中子核反应会导致材料的不同物理变化。
2.中子通量和能量：热中子辐照法中，中子通量和能量是非常重要的参数。
中子通量是单位面积上单位时间内通过的中子数，而中子能量则是中子的动能。
中子通量和能量的大小和分布方式对材料的辐照损伤行为有直接影响。
因此，在热中子辐照实验中，必须准确控制和测量中子通量和能量。
3.辐照损伤行为：热中子辐照会导致材料中原子核的组成和结构改变，从而影响材料的物理、化学和力学性能。
常见的辐照损伤行为包括位错形成、晶格缺陷聚集、相变和核反应产物的生成等。
通过对辐照材料进行结构分析和性能测试，可以揭示辐照损伤的发生机理和行为规律。
2. 热中子辐照法的应用热中子辐照法在材料科学领域有着广泛的应用。
以下列举了几个热中子辐照法的主要应用领域：2.1 材料辐照损伤研究热中子辐照法可以用于研究材料在辐照条件下的物理、化学和力学性能变化，特别是结构材料和核材料。
通过对辐照材料进行微观结构和性能分析，可以揭示材料的辐照损伤行为和机制，为材料的辐照抗性改进和材料设计提供重要依据。
2.2 核能材料研究热中子辐照法在核能材料研究中有着重要的应用。
核能材料如核燃料、包壳材料等在工作过程中会受到高强度中子辐照的影响，导致材料的性能下降。
通过热中子辐照实验，可以模拟和评估材料在实际工作条件下的辐照损伤行为，为核能材料的性能改进和寿命评估提供有效手段。
2.3 新材料筛选与评估热中子辐照法可以用于新材料的筛选和评估。
第五章辐照效应辐照损伤是指材料受载能粒子轰击后产生的点缺陷和缺陷团及其演化的离位峰、层错、位错环、贫原子区和微空洞以及析出的新相等。
这些缺陷引起材料性能的宏观变化，称为辐照效应。
辐照效应因危及反应堆安全，深受反应堆设计、制造和运行人员的关注，并是反应堆材料研究的重要内容。
辐照效应包含了冶金与辐照的双重影响，即在原有的成分、组织和工艺对材料性能影响的基础上又增加了辐照产生的缺陷影响，所以是一个涉及面比较广的多学科问题。
其理论比较复杂、模型和假设也比较多。
其中有的已得到证实，有的尚处于假设、推论和研究阶段。
虽然试验表明，辐照对材料性能的影响至今还没有确切的定量规律，但辐照效应与辐照损伤间存在的定性趋势对实践仍有较大的指导意义。
5.1 辐照损伤1. 反应堆结构材料的辐照损伤类型反应堆中射线的种类很多，也很强，但对金属材料而言，主要影响来自快中子，而α，β，和γ的影响则较小。
结构材料在反应堆内受中子辐照后主要产生以下几种效应：1) 电离效应：这是指反应堆内产生的带电粒子和快中子撞出的高能离位原子与靶原子轨道上的电子发生碰撞，而使其跳离轨道的电离现象。
从金属键特征可知，电离时原子外层轨道上丢失的电子，很快被金属中共有的电子所补充，所以电离效应对金属性能影响不大。
但对高分子材料，电离破坏了它的分子键，故对其性能变化的影响较大。
2) 嬗变：受撞原子核吸收一个中子变成异质原子的核反应。
即中子被靶核吸收后，生成一个新核并放出质子或α带电粒子。
例如：嬗变反应对含硼控制材料有影响，其它材料因热中子或在低注量下引起的嬗变反应较少，对性能影响不大。
高注量（如：>1023 n/m 2）的快中子对不锈钢影响明显，其组成元素大多都通过（n,α)和（n,p）反应产生He 和H ，产生辐照脆性。
HeLi n B 427310105+→+H N n O 11167168+→+3) 离位效应：碰撞时，若中子传递给原子的能量足够大，原子将脱离点阵节点而留下一个空位。
重离子辐照对材料的影响重离子辐照是一种比较新颖的材料科学研究领域，其研究内容主要是研究重离子在材料中传递的能量和电荷的影响，这种辐射对于材料性质的变化具有非常显著的影响。
一、重离子辐照的基本概念重离子辐照是指使用高能重离子束对材料进行加速辐照，将重离子束束流释放到材料中，从而引起材料中的原子和分子的电离，使得材料的电子结构及物理化学性质发生改变的过程。
重离子束的作用与其他辐射源的不同，主要表现在以下几个方面：1.重离子束具有高能量和高电荷状态，能够穿透材料厚度；2.重离子束在穿透材料过程中会产生极高的电离密度，使得材料中的原子和分子处于高电离状态；3.重离子束可以通过自身的静电相互作用和核-电子相互作用导致材料中原子的位移和重组，从而改变其电子结构和物理化学性质。
二、重离子辐照对材料的影响通过对于重离子束辐照下的材料进行实验研究，可以发现重离子束对材料性质的影响主要表现在以下几个方面：1.引起材料的物理和化学损伤重离子束对于材料中的原子和分子进行电离作用，从而导致材料中的物理和化学损伤，如层间裂纹、氧化、添加等等。
2.引起材料的硬化和塑性变形重离子束通过高电荷状态和自身的静电相互作用作用于材料中的原子和分子，从而引起材料的硬化和塑性变形。
3.引起材料的核反应和辐射损伤重离子束在穿透材料过程中会发生核反应，同时也会引起材料的辐射损伤，从而改变材料的电子结构和化学性质。
三、重离子辐照在材料研究中的应用重离子辐照虽然具有一些负面的影响，但是在材料研究中也有其独特的应用价值。
主要表现在以下几个方面：1.材料的辐射损伤研究通过对于材料的重离子辐照，可以分析和研究不同材料下辐射产生的损伤程度，从而深入了解材料的辐射损伤问题。
2.材料的物理化学性质研究重离子辐照可以引起材料的化学变化和物理变化，从而可以更好地进行材料的物理化学性质研究。
3.材料的微结构研究重离子辐照可以通过引起材料的硬化和塑性变形，从而可以更好地观察和研究材料的微结构和晶体结构。
重离子放射治疗原理重离子放射治疗是一种高精度的放射治疗方法，通过利用高能重离子束对肿瘤组织进行精确定位和破坏，达到治疗肿瘤的目的。
其原理主要包括：重离子的物理特性、剂量分布特点以及生物学效应。
一、重离子的物理特性重离子是指带正电荷的高速离子，如质子和碳离子。
与传统的X射线相比，重离子具有以下几个重要的物理特性。
1.1 电荷效应重离子带正电荷，与周围物质相互作用时会发生库仑力作用，使其路径发生弯曲。
这种电荷效应使得重离子束在进入人体后能够准确定位到肿瘤组织，避免对健康组织的伤害。
1.2 能量沉积特性重离子的能量沉积特性是其治疗效果的关键之一。
重离子束的沉积能量随着入射深度的增加而增加，达到最大值后突然下降。
这种特性使得重离子能够在肿瘤组织内高度集中地释放能量，最大限度地破坏肿瘤细胞。
1.3 等离子激发效应当重离子与物质相互作用时，会发生等离子激发效应，产生大量次级粒子。
这些次级粒子的产生扩大了重离子束的剂量分布范围，并且在肿瘤组织内形成高剂量区域，增强了治疗效果。
二、剂量分布特点重离子放射治疗的剂量分布特点是其治疗效果的又一重要因素。
2.1 前方峰重离子束在进入人体后，会在前方形成一个峰值剂量区域。
这是因为重离子在进入人体后，会与周围物质发生库仑力作用，路径弯曲，导致能量沉积增加，形成高剂量区域。
2.2 建模区重离子束通过人体后，会在建模区形成一个较低剂量区域。
这是由于重离子束通过人体后，能量已经消耗较多，剂量分布较为均匀。
2.3 后方尾重离子束通过人体后，会在后方形成一个尾部剂量区域。
这是因为重离子束通过人体后，剩余的能量会在后方逐渐散射，形成一个较低剂量区域。
三、生物学效应重离子放射治疗的生物学效应是其治疗效果的最终体现。
3.1 直接杀伤作用重离子束通过肿瘤组织时，会直接杀伤肿瘤细胞。
重离子的高能量和高剂量使其能够直接破坏肿瘤细胞的DNA，导致细胞死亡。
3.2 间接杀伤作用重离子束与肿瘤组织相互作用时，会激发产生大量次级粒子，如自由基和高能中子。
重离子辐照对材料性能的影响研究近年来，随着科技和工程领域的不断发展，重离子辐照在材料科学中扮演越来越重要的角色。
重离子辐照是指利用高能量、高速度的重离子束对材料进行辐照，其能量和速度较高，使得入射的重离子克服原子间的相互作用力，形成显著的损伤，从而对材料的性能产生影响。
首先，重离子辐照对材料的微观结构产生了显著的改变。
辐照过程中，重离子束与材料相互作用，导致材料表层产生能量沉积。
这种沉积会在材料晶格中形成截断原子行列、位错和晶体缺陷等，从而改变材料的结构。
研究发现，辐照后的材料晶界和晶格缺陷密度增加，晶粒尺寸变小，结晶度下降。
这些微观结构的变化进一步影响了材料的力学性能、导热性能以及电学性能等方面。
其次，重离子辐照对材料的力学性能产生了显著的影响。
实验研究表明，辐照过程中，材料的屈服强度和抗拉强度会发生变化。
在低剂量的辐照下，材料的屈服强度和抗拉强度会增加。
而当剂量进一步增大时，这种变化趋势会逆转。
辐照过程中，重离子所引起的晶体缺陷会导致材料内部的原子重新排列，从而改变了材料的原子间距和结构，进而影响材料的强度。
此外，辐照还可能引起材料的微裂纹和氢脆现象，进一步降低了材料的韧性。
在导热性能方面，重离子辐照对材料的影响也是不可忽视的。
研究发现，辐照后的材料热导率会出现变化。
一方面，辐照会引起材料中的晶格缺陷增加，导致晶格热阻的增加，从而降低材料的热导率。
另一方面，重离子束的能量沉积会产生局部的熔融现象，形成一系列的辐照缺陷，这些缺陷能够散射热流，进一步降低材料的热导率。
因此，重离子辐照对于导热材料的热管理具有重要意义。
此外，重离子辐照还对材料的电学性能产生了一定的影响。
辐照过程中，重离子束与原子相互作用会造成电子的电离和电子-空穴对的生成，使得材料的电导率发生变化。
研究发现，辐照后的电导率会出现不同程度的增加或减小，取决于重离子束的入射能量和剂量。
此外，重离子束还会影响材料的绝缘性能，辐照后的材料可能出现局部的电离现象，导致材料的绝缘性能下降。
