Ускорители заряженных частиц широко используются в ННЦ ХФТИ для поддержки исследований и разработок по радиационной физике твердого тела и радиационному материаловедению. "Имитационное" облучение материалов на ускорителях дополняет стандартную практику их широкомасштабных реакторных испытаний и представляет собой экономически эффективную ресурсосберегающую методику экспрессной оценки их поведения и работоспособности в полностью контролируемой среде облучения.
Бериллий — один из наиболее изучаемых функциональных материалов ядерной техники — проявляет нетривиальные фундаментальные свойства и эффекты (например, сверхпластичность), которые в значительной степени обусловлены его ярко выраженной анизотропией. Это также касается влияния точечных дефектов на электронную структуру и транспортные свойства бериллия при низких температурах и, в частности, структурной чувствительности температуры его сверхпроводящего перехода Tc.
В 2017 г. разработанные ранее в НПК ВИЭРТ методология и комплекс программ многомасштабного (multi-scale) компьютерного моделирования радиационных эффектов применены к характеризации и планированию криогенных облучений бериллия на электронном ускорителе ELIAS ННЦ ХФТИ. Путем последовательного использования методов микроскопического атомистического, мезоскопического кинетического и макроскопического континуального моделирования выяснено влияния анизотропии решетки бериллия на накопление радиационного повреждения под электронным облучением при различных температурах, а также влияние на него исходной дислокационной структуры облучаемых мишеней.
Выявлено количественное отличие результатов явного атомистического моделирования скорости первичного радиационного повреждения мишени от предсказаний традиционной модели NRT стандарта. Обнаружен значительный (около 25%) вклад каскадов атомных столкновений в пространственное распределение первично произведенных электронным пучком ускорителя ELIAS пар Френкеля.
Рис. 1 – Профили скорости первичного образования пар Френкеля, рассчитанные по Монте-Карло по модели NRT-стандарта (O) и эксплицитным моделированием каскадов атомных столкновений (♦) кодом RaT, разработанным в НПК ВИЭРТ
Методом молекулярной динамики с использованием вычисленных ab initio данных о структуре и миграции точечных дефектов в бериллии получены надежные оценки дипольно-силового тензора упругого взаимодействия собственных межузельных атомов (СМА) с дислокационными стоками и параметра энергии взаимодействия U0 = 0.63 эВ.
При моделировании методом кинетического Монте-Карло обнаружен значительный рост силы дислокационных стоков с уменьшением температуры и увеличением плотности дислокаций. Выявленная анизотропия силы стока объяснена преимущественно двумерной диффузией межузельных атомов в базальной плоскости г.п.у.-бериллия при низких температурах.
Рис. 2 – Моделирование методом кинетического Монте-Карло (код Sandia SPPARKS) диффузии СМА Be (♦), их рекомбинации с вакансиями (♦) и захвата стоками по-разному ориентированных краевых дислокаций. T = 77 K
На основе данных многоуровневого моделирования временной эволюции точечных дефектов рассчитана эффективность введения вакансий в материал. Показано, что применение криогенного (77 K) электронного облучения предварительно сильно деформированных до плотности дислокаций ~1012 см-2 мишеней бериллия позволяет эффективно подавлять рекомбинацию пар Френкеля за счет ухода свободно мигрирующих собственных межузельных атомов на дислокационные стоки, что приводит к аномально высокому (~10–3 на атом) выходу остаточных вакансий, сопоставимых с концентрациями первичных пар Френкеля при разумной (<103 ч) продолжительности облучения пучком электронного ускорителя ELIAS.
Рис. 3 – Остаточные атомные концентрации вакансий, как функции атомной концентрации первичных френкелевских пар (FPpa), наработанных за время t0 (верхняя ось) электронного облучения мишеней Be с различными плотностями дислокаций ρd (сплошные кривые) в сравнении с предсказаниями упрощенной изотропной модели (штриховые кривые).
Полученные результаты подтвердили, что применение действующей в НИК «Циклотрон» ННЦ ХФТИ методики криогенного электронного облучения изготовленных по технологии ИФТТМТ ННЦ ХФТИ образцов сильнодеформированного бериллия открывает уникальные возможности экспериментального изучения как прикладных, так и фундаментальных проблем влияния высокого содержания точечных дефектов на его эксплуатационные свойства, электронную структуру и сверхпроводимость.