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低能电子撞移金属原子研究取得重要进展
 
2017-03-16 | 文章来源:钛合金研究部        【 】【打印】【关闭

  高能电子(>200keV)与晶体材料作用会导致材料中产生空位、间隙原子、电子激发、原子离子化等微观缺陷(辐照损伤),微观缺陷的累积会改变材料性能(辐照效应)。对于金属晶体材料而言,电子辐照损伤主要是由电子撞击晶格原子引起的原子位移(knock-on atomic displacement)。传统粒子物理的理论与实验表明,只有微量的入射电子能量可以转移到被撞击靶材原子的原子核上,即使靶材晶格原子间的结合能相对较小(~5-60 eV),入射电子能量必须达到相对很大的临界值(incident-energy threshold)才能引起靶材原子的位移。

  最近,金属所沈阳先进材料研究发展中心钛合金研究部李阁平研究组发现,在低能电子束(30keV)持续辐照下,Zr金属原子可以发生明显的位移,该结果远超出理论预期(根据Hobbs教授提出的理论公式计算,入射电子引起靶材α-Zr原子在表面发生溅射和在晶内发生位移所需的能量临界值分别约为210和433keV)。场发射扫描电子显微镜观察发现,在静态聚焦低能(30keV)电子束的持续辐照下,位于抛光后Zr-4合金厚材表层中的纳米第二相(~35-500 nm)会逐渐出现在观察视野中,而且其轮廓会逐渐变得清晰可辨,该现象本身提供了一种原位观察和准确测定锆合金中第二相尺寸和分布的新方法,将有助于核电用锆合金包壳材料的研究。透射电子显微镜观察发现,相同能量的低能电子束辐照引起Zr-4合金薄膜表面原子发生溅射;α-Zr晶粒内局部晶体结构发生变化,出现新的有序结构;Zr(Fe,Cr)2第二相发生非晶化。这些结果第一次直接证明入射能量远低于理论临界值的电子束辐照也可以引起Zr金属原子发生明显位移。

  上述不同于理论预期的发现将引起关于入射电子使靶材晶格原子发生位移所需临界条件的讨论。低能电子束对锆合金的辐照损伤研究结果有助于深入理解锆合金在核反应堆中应用时电子(β射线)辐照损伤的行为本质。由于低能电子束可以引起α-Zr晶体结构变化,静态聚焦低能电子束持续辐照可能发展成为一种研究金属及其他无机材料相变过程的新方法,进而从一个全新角度探索材料新的物理和化学特征。该研究的相关研究成果3月15日在Scientific Reports上在线发表(10.1038/s41598-017-00251-3)。

  全文链接

图1. Zr-4合金在静态聚焦低能(30keV)电子束下的辐照损伤

图2. α-Zr基体在静态聚焦低能(30keV)电子束下的辐照损伤

 

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