EAST面对等离子体材料的分子动力学模拟与实验研究

1、1会计学EAST面对等离子体材料的分子动力学模面对等离子体材料的分子动力学模拟与实验研究拟与实验研究2021-12-1422021-12-1432021-12-144ITER cutaway 磁约束等离子体与托卡马克热核聚变装置2021-12-1452021-12-1462021-12-1472021-12-148ZjattrepirbVrqVE1)()(21Z: 最近邻数最近邻数q: 每个原子的价电子数每个原子的价电子数b: 健级健级(bond order)Vrep(r): 紧邻原子间排斥力紧邻原子间排斥力Vatt(r): 引力函数引力函数 修订Brenner势：Juslin等对的CH势进行

2、改造，并重新计算拟合了W-W，W-C和W-H之间的参数设置，有效模拟H和CH与金属 W之间的相互作用 用于包含多元材料的不同性质，如表面，缺陷，融化性质等2021-12-1492021-12-14102021-12-14112021-12-141224681005101520012345 g(r)r () W-W (crystalline W)(b) g(r) W-W (amorphous W)(a) 晶态和非晶态W中的 W-W 对分布函数g(r) 非晶胞模拟过程: 初始结构：bcc晶态W元胞，密度为19.25 g/cm3, 三个方向施加周期性边界条件 系统在300K室温下平衡10个ps后，升

3、温至4000K 在4000K融化状态下保持200ps 将元胞冷却至300K，冷却速率为40K.ps-1 在300K下平衡50psl 第一紧邻位置和数值相似揭示非晶W的的短程有序性。l 第二紧邻位置偏移，更高级的近邻峰值拓展或消失揭示长程无序。2021-12-1413 表面模拟：X X和和Y Y方向施加周期性边界条方向施加周期性边界条件。最底三层原子保持固定模拟为衬底。件。最底三层原子保持固定模拟为衬底。 温控：衬底以上已经四个侧面的三个原衬底以上已经四个侧面的三个原子层内施加温控条件。子层内施加温控条件。 初始位置：入射原子在元胞外势函数截入射原子在元胞外势函数截断距离之外，非温度控制区域以上

4、作为初断距离之外，非温度控制区域以上作为初始位置。随机改变原子的入射位置，进行始位置。随机改变原子的入射位置，进行统计。统计。 初始动能：改变原子的入射动能，研究改变原子的入射动能，研究能量依赖关系。入射粒子的能量分为两种，能量依赖关系。入射粒子的能量分为两种，一种是固定动能，另外一种就是载能粒子一种是固定动能，另外一种就是载能粒子的能量服从麦克斯韦分。的能量服从麦克斯韦分。 初始角度：改变原子入射角度，研究角改变原子入射角度，研究角度依赖关系。度依赖关系。 元胞温度：改变元胞温度，研究衬底温改变元胞温度，研究衬底温度依赖关系。选择模拟的步长。度依赖关系。选择模拟的步长。 两种辐照模拟：非累计

5、型模拟和累计型非累计型模拟和累计型模拟。模拟。2021-12-141450个入射C原子在表面的堆积情况与入射能量的依赖关系（a)1 eV (b) 5 eV (c) 10 eV (d) 50 eV (e) 100 eV (f)200 eV *red balls represent the C atoms *black ones represent W atoms.l表面损伤：损伤程度随着入射能量的升高而增加。其表征参数为对函数分布函数。l表面损伤的机理：动能释放与晶格碰撞。2021-12-1415l10eV时，能量和粒子反射在两种表面上均达到最大值。l大于10 eV, 反射系数单调递减，源于较高

6、的能量，粒子更容易进入元胞内部。l低于10eV时，反射系数单调递增，源于较低的能量，粒子更容易吸附到表面。lsbe（surface binding energy）：8.68ev （W）；esb（projectile binding energy）：4.00eV （C）；1.00eV（H）(a)粒子和 (b) 能量反射系数与入射能量依赖关系(Eckstein*用TRIM.SP 计算的结果也一并列出 ) * W. Eckstein, Calculated Sputtering, Reflection and Range Values, IPP 9/132, 2002 1101000.00.10.2

7、0.30.40.50.60.70.80.91.0 crystalline-W amorphous-W EcksteinEnergy Reflection CoefficinetIncident Energy (eV)(b)1101000.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 Particle Reflection Coefficinet crystalline-W amorphous-W Eckstein(a)1100.30.40.50.60.70.80.91.0 MD EcksteinParticle Reflection Coefficient( a )1100.

8、30.40.50.60.70.80.91.0 MD EcksteinEnergy Reflection CoefficientIncident Energy (eV)( b )C WH W2021-12-1416-2024681 01 21 4024681 01 21 41 e V Fraction of counts (%)D e p th ()( a ) - 2024681 01 21 4024681 01 21 4 Fraction of counts (%)D e p t h ()5 e V( b ) -2024681 01 21 4024681 01 21 4 Fraction of

9、 counts (%)D e p th () 1 0 e V( c ) -2024681 01 21 4024681 01 21 4 Fraction of counts (%)D e p th ()5 0 e V(d ) - 2024681 01 21 4024681 01 21 4 Fraction of counts (%)D e p t h ()1 0 0 e V( e ) 11010005101520 Average depth ()Incident Energy (eV) crystalline-W amorphous-W Eckstein l 低于10 eV, 未被散射的原子吸附

10、在表面的几个原子层不能穿透的体胞内部l 在10 eV, 入射原子被散射回真空的几率最大l 高于10 eV, 荷能粒子就有更大的几率进入的W的体内，同时平均射程分布以及射程摆动都会相应增加l在50eV附近，粒子在晶态内 平均射程超越了非晶表面，其原因在于沟道效应的产生l相对低能情况下： 平均射程分布接近于SRIM2008的结果l相对高能情况下：平均射程大于SRIM的结果，归于沟道效应C和H原子在W体内平均深度 (mean range) 与入射能量的依赖关系。(Eckstein 用TTRIM.SP 计算的结果也一并列出)C原子在W内的射程分布和能量的依赖关系: (a) 1eV, (b) 5 eV,

11、 (c) 10 eV, (d) 50 eV, (e) 100 eV.110050100150200 Average Depth () Incident Energy (eV) MD SRIMCWHW2021-12-1417沟道粒子的动能和穿透深度随时间演化的示意图：C原子入射能量为150eV，其轨迹如左图所示020406080 100 120 140 160 180020406080100120140160 Kinetic Energy Depth from the surfaceTime (fs)KE (eV)01020304050 Depth ( ) l 当入射能量为50-200 eV时,

12、 在晶向发生沟道效应。l 50fs之前，入射原子和晶格原子没有近距的碰撞，动能损失率 dE/dx的值较低。l 50fs以后，入射粒子穿透了20个以上原子层，和晶格原子发生了剧烈的核碰撞，动能损失率增大且振幅增大，和晶格原子发连续碰撞后最终动能小于了其在晶格体内的迁移能而停留在体内。沟道轨迹示意图：C原子入射能量为150eV2021-12-1418BOP (eV) Exp. - Ab. (eV)Ef-v1.692.8-5.38mono-vacancyEm-v1.31.7-2.021.5vacancy-migrationEf-Oh2.57-octahedral interstitialEf-Th2

13、.91-tetrahedral interstitialEf-sub3.39-substitutional Eb12.352.01vacancy- 1st OhEb20.041-vacancy- -2nd Ohl Ev = E(N-1)W) - (N-1)Eref(W) （空位形成能）l Eint = E(NW + C) - NEref (W) - Eref (C) （间隙原子形成能）l Esub = E(N-1)W + C) - (N-1)Eref (W) - Eref (C) （替位原子形成能）l Eb(V-C) = Ef (V) + Ef (C) Ef (V-C) （结合能）l 荷能粒子

14、入射到材料表面将会导致局域晶格破坏。l 空位以及点缺陷的形成是材料内部缺陷形成的基础。2021-12-1419体心立方W晶体中间隙原子的两种位置(A) 八面体间隙(B) 四面体间隙lC在W中八面体间隙的形成能: 2.57 eVlC在W中四面体间隙的形成能: 2.91eVl间隙C原子从八面体间隙到最近邻的八面体间隙所要越过的势垒是0.6eVl对于间隙C原子最稳定的构型是占据八面体间隙位置而不是四面体间隙位置，与理论分析结果*2一致*1 C. H. Bennett, in Diffusion in Solids, Recent Developments, edited by A. S. Nowic

15、k and J. J. Burton (Academic, New York, 1975), p.73. *2 Gmelin Handbook of Inorganic Chemistry, 8 ed., Syst. No. 54, Tungsten, Suppl. Vol. A2, Spring-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, 1987.0.00.20.40.60.81.00.00.10.20.30.40.50.6 E (eV)Relative distanceABCDE势垒和点缺陷路径的关系示意图：间隙C原子沿八面体间隙到最近邻八面

16、体间隙位置。势能值通过quenched molecular dynamics*1 方法获得。2021-12-1420间隙C原子在八面体间隙位置所引起的晶格变形虚线球表示完整晶格的平衡位置实心球表示引入C原子以后的平衡位置l C和最近邻W原子之间的距离比完整晶格距离增加了0.236（d1/d1 ），其增加方向为 方向。l C和最近邻W原子之间的距离比完整晶格距离减少了0.015（d2/d2），其增加方向为 方向。l 结构形变源于能量弛豫。2021-12-14242021-12-1425 ASIPP2021-12-14272021-12-14282021-12-14292021-12-1430 表

17、面模拟：X X和和Y Y方向施加周期性边界条方向施加周期性边界条件。最底三层原子保持固定模拟为衬底。件。最底三层原子保持固定模拟为衬底。 温控：衬底以上已经四个侧面的三个原衬底以上已经四个侧面的三个原子层内施加温控条件。子层内施加温控条件。 初始位置：入射原子在元胞外势函数截入射原子在元胞外势函数截断距离之外，非温度控制区域以上作为初断距离之外，非温度控制区域以上作为初始位置。随机改变原子的入射位置，进行始位置。随机改变原子的入射位置，进行统计。统计。 初始动能：改变原子的入射动能，研究改变原子的入射动能，研究能量依赖关系。入射粒子的能量分为两种，能量依赖关系。入射粒子的能量分为两种，一种是固

18、定动能，另外一种就是载能粒子一种是固定动能，另外一种就是载能粒子的能量服从麦克斯韦分。的能量服从麦克斯韦分。 初始角度：改变原子入射角度，研究角改变原子入射角度，研究角度依赖关系。度依赖关系。 元胞温度：改变元胞温度，研究衬底温改变元胞温度，研究衬底温度依赖关系。选择模拟的步长。度依赖关系。选择模拟的步长。 两种辐照模拟：非累计型模拟和累计型非累计型模拟和累计型模拟。模拟。2021-12-1431-2024681 01 21 4024681 01 21 41 e V Fraction of counts (%)D e p th ()( a ) - 2024681 01 21 4024681 01 21 4 Fraction of counts (%)D e p t h ()5 e V( b ) -2024681 01 21 4024681 01 21 4 Fraction of counts (%)D e p th () 1 0 e V( c ) -2024681 01 21 4024681 01 21 4 Fraction of c