[論文レビュー] Radiation damage and recovery of crystals:Frenkel vs. Schottky defect production

V.I. Dubinko|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2014

Intermetallics and Advanced Alloy Properties参考文献 34被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、拡張欠陥における放射線誘発シュットキー欠陥形成を考慮に入れた修正されたレート理論を提案し、結晶の損傷と回復において従来のフランケル対に基づくメカニズムに対抗する。このモデルは、シュットキー欠陥の寄与を強調することで、被照射中における同時に進行する欠陥生成に隠れがちな回復プロセスを統合的に理解するためのフレームワークを提供する。

ABSTRACT

A majority of radiation effects studies are connected with creation of radiation-induced defects in the crystal bulk, which causes the observed degradation of material properties. The main objective of this chapter is to describe the mechanisms of recovery from radiation damage, which operate during irradiation but are usually obscured by the concurrent process of defect creation. Accordingly, the conventional rate theory is modified with account of radiation-induced Schottky defect formation at extended defects, which often acts against the mechanisms based on the Frenkel pair production in the crystal bulk. The theory is applied for the description of technologically and fundamentally important phenomena such as irradiation creep, radiation-induced void annealing and the void ordering.

研究の動機と目的

• 結晶における放射線損傷からの回復を説明する従来のレート理論の限界を是正すること。
• 拡張欠陥におけるシュットキー欠陥形成が、結晶内におけるフランケル対生成とどのように競合するかを調査すること。
• 被照射クリープやボイドアニーリングといった技術的・重要度の高い現象を説明する理論的枠組みを提供すること。
• 継続的な欠陥生成に隠れがちな、放射線誘発欠陥形成メカニズムが回復プロセスに果たす役割を明確にすること。
• シュットキー欠陥の寄与をレート理論モデルに統合することで、被照射材料における欠陥ダイナミクスの理解を統一すること。

提案手法

• 表面、粒界、不等性など拡張欠陥における放射線誘発シュットキー欠陥形成を組み込んだ、従来のレート理論の修正。
• 結晶内におけるフランケル対生成と欠陥部位におけるシュットキー欠陥生成の両方を考慮する動的モデルの導入。
• 修正理論を用いて、特に回復プロセスに注目して被照射下における欠陥進化を予測すること。
• 被照射材料における被照射クリープ、ボイドアニーリング、およびボイドの順序付けといった現象の分析とシミュレーションにモデルを適用すること。
• 欠陥の移動および再結合動力学を組み込み、フランケルとシュットキーのメカニズムの間の競合に特に注目すること。
• 実験的観察された欠陥回復および被照射下における材料特性の劣化と照合して、モデルの妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 拡張欠陥におけるシュットキー欠陥形成は、被放射線損傷した結晶の回復にどのように影響するか？
• RQ2 欠陥進化を決定づける要因として、シュットキー欠陥形成とフランケル対生成の相対的寄与は何か？
• RQ3 修正されたレート理論は、被照射材料における被照射クリープをどのように説明するか？
• RQ4 シュットキー欠陥形成は、放射線誘発ボイドのアニーリングにどのように寄与するか？
• RQ5 被照射結晶におけるボイドの順序付けを支配するメカニズムは何か？ そしてそれらはシュットキー欠陥ダイナミクスとどのように関係するか？

主な発見

• 修正されたレート理論は、拡張欠陥におけるシュットキー欠陥寄与を組み込むことで、被照射クリープのような回復現象をうまく説明できた。
• 拡張欠陥におけるシュットキー欠陥形成は、フランケル対生成と対抗し、欠陥の再結合と材料の回復を可能にする。
• モデルは、シュットキー欠陥がボイド領域からの間隙原子と空孔の除去を促進することで、ボイドアニーリングを説明できた。
• ボイドの順序付けは、シュットキー欠陥の異方的移動および再結合によって説明され、周期的な欠陥構造が生じる。
• 継続的な欠陥生成が進行する中で回復が生じるというパラドックスを解消するため、シュットキー機構が主な回復経路として特定された。
• 核融合炉環境を含む被照射材料における実験的観察された欠陥ダイナミクスを一貫して説明するフレームワークを提供した。