嵌入原子法计算金属钚中点缺陷的能量

钚因放射性衰变而出现老化效应.钚中点缺陷的性质和行为是理解钚老化效应的一个基础和前提.运用分子动力学模拟技术,计算了金属钚中点缺陷和点缺陷团簇的形成能和结合能.其中钚-钚、钚-氦和氦-氦相互作用势分别采用嵌入原子多体势、Morse对势和Lennard-Jones对势.计算结果表明,单个自间隙原子易以〈100〉哑铃状形态存在;间隙氦原子在理想晶格的八面体间隙位置相对较为稳定;氦原子与空位的结合能较大,在钚的自辐照过程中两者易于结合并形成氦-空位团簇;氦-空位团簇的形成能随氦原子数的增加而增大,当氦与空位的数     

α-Fe中氦泡阻碍位错移动硬化的分子动力学研究

基于周期性位错阵列模型,利用分子动力学方法,研究了α-Fe中1/2a0111{110}刃位错与3nm氦泡的相互作用导致硬化的过程,重点研究了不同温度下(300 K和623 K),氦空位比例对位错与3 nm氦泡作用机制影响的差异性.研究结果表明,当氦空位比例在0～1之间变化时,氦空位比例的变化对临界剪切应力的影响微弱,当氦空位比例在1～1.5之间变化时,氦泡内氦原子的数量的增加,临界剪切应力随之降低.氦空位比例升高至1.75时,高温623 K与室温相比,临界剪切应力反常升高,原因是高温引起的位错与氦泡的排斥机制:氦泡严重超压,与位错接触瞬间,沿位错拉伸侧踢出自间隙原子团簇,被位错吸收后产生割阶;由于位错割阶与超压氦泡同为压应力场,割阶被氦泡强烈排斥反弹.     

基于第一性原理的含空位a-Fe和H原子相互作用研究

氢致裂纹是制约超高强度钢应用的关键问题,掌握扩散氢的分布行为有助于弄清氢致裂纹的形成机理.本文采用第一性原理方法计算了H原子占据α-Fe晶格间隙和空位时的情况,得到了晶体的稳定构型及能量,并据此分析了H原子在晶格间隙和空位中的溶解倾向;从Mulliken布居、电子密度分布、态密度分布等角度分析了H原子与α-Fe晶体间隙和空位之间的相互作用.结果表明:间隙H原子倾向占据α-Fe四面体间隙位,其1s轨道电子与Fe的4s轨道电子呈微弱共轭杂化;空位是强氢陷阱, H原子倾向占据空位内壁附近的等电荷面.在真空0 K条件下单空位最多稳定溶解3个H原子,且H原子之间未表现出自发形成H2的倾向;间隙和空位中的H原子溶入改变了Fe晶格内电子分布导致原子结合力弱化,并在局部区域形成反键.基于第一性原理能量计算结果开展热力学分析,分析结果表明大多数情况下间隙H原子都是H主要的固溶形式, H平衡溶解度计算结果与实际符合良好.     

氦对钛的体胀及稳定性影响的分子动力学模拟

采用分子动力学(molecular dynamics,MD)方法研究了不同压力下氦-空位复合物的大小、氦含量对材料肿胀、稳定性的影响. 分析了影响材料体积改变及稳定性因素：随着氦含量的增加,体系内聚能减小,系统体积膨胀,稳定性降低;当氦-空位复合物较小时,随着氦-空位复合物的增大,体系内聚能增加,系统体胀减小,体系趋于稳定. 当氦泡中氦原子达到一定数量时氦泡不再继续长大. 关键词： 体胀 氦-空位复合物 钛 分子动力学     

硼/氮原子共注入金刚石的原子级研究

利用Tersoff势和分子动力学方法研究了室温下500 eV的能量粒子硼(4个)和氮(8个)共注入金刚石晶体中晶体结构的变化特征和缺陷分布特征.结果表明：粒子注入金刚石后产生的空位比间隙原子更靠近晶体的近表层分布；间隙原子主要以四面体间隙(T形)和哑铃状分裂间隙的形式存在于晶体中，T形间隙结构更容易存在，并且大部分间隙原子富集在空位的周围；注入金刚石中的硼原子和氮原子有78%左右处于替代位置,硼、氮原子之间的键长比完整金刚石结构的键长短13%，硼氮原子成键有利于减少金刚石晶格的畸变程度.     

Al辐照损伤初期的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法,对Al辐照损伤初期产生的本征点缺陷和He缺陷进行了研究.通过晶体结构、缺陷形成能和结合能,分析比较了缺陷形成的难易程度及对晶体稳定性的影响,并从态密度、差分电荷密度和电荷布居的角度,分析了其电子机理.结果表明:对于同类型的缺陷,其造成的晶格畸变越大,体系稳定性越低,缺陷形成的难度越大.同类型缺陷形成的难易程度由易到难依次为空位(置换位原子)、八面体间隙原子和四面体间隙原子,但相同位置的本征缺陷的形成难度小于He缺陷.间隙原子容易与空位结合,且Al原子与空位结合的能力强于He原子.间隙Al原子和He原子主要存在于八面体,且缺陷原子引起部分电子向更高能级转移,并导致与其最邻近的Al原子之间的共价作用减弱,从而降低了体系稳定性.间隙Al原子与最邻近的Al原子之间产生了强烈的共价作用,而He原子和最邻近Al原子之间主要为范德瓦耳斯力和较弱的离子键,这是含He缺陷的体系稳定性更低的重要原因.     

氦、氘对纯铁辐照缺陷的影响

在核聚变堆的辐照环境中, 核嬗变产物氢、氦对结构材料的抗辐照性能将产生很大的影响. 本实验采用离子注入和电子辐照模拟研究了氦和氘对具有体心立方结构的纯铁的影响. 采用离子加速器在室温分别对纯铁注入氦离子和氘离子, 经500℃时效1 h后在高压电镜下进行电子辐照.结果表明: 室温注氦和室温注氘的纯铁在500℃时效后分别形成间隙型位错环和空位型位错环. 在电子辐照下, 间隙型位错环吸收间隙原子而不断长大, 而空位型位错环吸收间隙原子不断缩小. 通过计算位错环的变化速率发现, 空位型位错环比间隙型位错环吸收了更多的间隙原子, 即室温注氘纯铁的位错偏压比室温注氦纯铁的偏压参量大, 这意味着相同实验条件下空位型位错环对辐照肿胀的贡献大于间隙型位错环对辐照肿胀的贡献. 利用氦-空位复合体和氘-空位复合体的结构, 分析了注氦和注氘后在纯铁中形成不同类型位错环的原因. 关键词： 氦 氘 辐照损伤 位错环     

辐照损伤对钨晶格热导率影响的分子动力学研究

钨是最具应用前景的面向等离子体候选材料,但核聚变堆内强烈的辐照环境会使钨的近表面区域产生辐照损伤,进而影响其关键的导热性能.本文构建了包含辐照损伤相关缺陷的晶体钨模型,并采用非平衡分子动力学的方法定量研究了这些缺陷对钨导热性能的影响.结果表明,随中子辐射能量的增加,晶体内部留下的Frenkel缺陷数目增多进而导致钨的晶格热导率降低;间隙原子比空位更易于向晶界偏聚,且钨中的间隙钨原子与空位相比,使晶格热导率下降程度更大.纳米级氦气泡导致晶格热导率的显著降低,气孔率为2.1%时晶格热导率降至完美晶体的约25%.这些不同的缺陷造成不同程度的周围晶格扭曲,增加了声子散射几率,是导致晶格热导率下降的根源.     

氦团簇及氦间隙原子在钨中的稳定性研究

首先采用分子动力学方法研究了在钨中预存氦-空位团簇（He_nV₂₂）后氦原子结合能与氦-空位比的关系。研究发现:当氦-空位比小于4.5时,氦原子结合能随氦-空位比呈线性减小趋势;当氦-空位比大于4.5时,氦原子的结合能随氦-空位比出现剧烈振荡的现象,这种现象是由于钨中预存氦-空位团簇随机挤出位错环使体系能量骤降所导致的。与此同时,氦-空位团簇周围出现了一些处于亚稳态的fcc结构和hcp结构的钨。为了研究氦团簇周围压强对钨基体相变的影响,本文利用第一性原理对钨的三种结构进行了高压相变计算,发现静水压力不能使钨的三种结构互相转变。另外,通过对bcc钨和fcc钨中四面体间隙氦原子和八面体间隙氦原子电荷密度差的计算,发现bcc钨中四面体间隙氦原子的稳定性高于八面体间隙氦原子的稳定性,而在fcc钨中四面体间隙氦原子的稳定性弱于八面体间隙氦原子的稳定性。     

铝中氦原子行为的密度泛函研究

用密度泛函理论计算了大量He原子存在时He在金属铝中不同位置的能量,并在理论上预测了铝中的氦原子行为.结果表明,铝晶胞内He原子择优占位区是空位,而在整个晶体范围,最有利于容纳He原子的区域是晶界,其次是空位和位错.在fcc-铝的两种间隙位中,He原子优先充填四面体间隙位.间隙He原子的迁移能很小,易于通过迁移在晶内聚集,或被空位、晶界、位错等缺陷束缚.     

超导腔垂直测量系统中的磁屏蔽

简要介绍空间磁场对纯铌超导加速腔性能的影响,以及在超导腔垂直测量时对空间磁场进行有效屏蔽的方法.由于多数磁性材料对应力和温度变化非常敏感,而且国内缺乏在低温下相关磁屏蔽材料性能的数据,为此对8种国产铁磁和软磁材料在低温下的初始磁导率进行了测量,并给出了相应的测试结果.最后介绍了作者研制的1.3GHz超导腔垂直测量低温恒温器内置式磁屏蔽装置及其性能.     

Researches and Preliminary Experiments on Copper-Niobium Sputtered Low-β Superconducting Resonator

Superconducting resonator is the important component of a superconducting accelerator. The best choice of the acceleration cavity for heavy ion superconducting accelerator is quarter wave resonator (QWR). By sputtering a layer of niobium films of several microns on the OFHC copper substrate, good superconducting properties and acceleration properties of the cavity can be obtained. However, it is very difficult to get uniform niobium films by sputtering because the inner surface of the QWR is complicated. To deal with this problem, we developed a multiparameter adjusting method to control the sputtering process of different parts of the QWR. A layer of uniform niobium film with nice superconducting performance is obtained. The low temperature experiments with liquid helium show that the Cu Nb QWR has good superconducting characters. The Q value of the cavity is about 5×10⁸.     

氦离子低温预辐照对不锈钢中氦泡生长抑制作用的Monte Carlo模拟研究

实验中已发现氦离子低温预辐照不锈钢材料能有效抑制高温辐照阶段的氦泡生长,但这一结果一直缺少理论解释.基于持续注入粒子的三维格子气模型,采用Monte Carlo模拟方法研究了不同温度模式对氦泡生长行为的影响.研究发现,计算结果能很好地再现氦离子低温预注入抑制高温氦泡生长的实验现象,其原理为低温预注入时材料中形成了较高数密度的小氦泡,由于氦泡数量较多从而限制了氦泡平均尺寸的增大.     

高压下金属铌熔化曲线的分子动力学模拟

铌作为一种高熔点的金属,广泛应用于制作合金材料. 铌的高温高压熔化曲线对于铌基合金的实际应用具有重要影响,但目前还未被成功研究. 本文中,我们采用铌目前已有的嵌入原子相互作用势函数（EAM）,通过经典的分子动力学方法,模拟了铌的熔化曲线. 两相法和改进Z方法的熔化曲线几乎完全一致,与Z方法的结果稍有差异. 我们也比较了尺寸效应对铌熔化曲线的影响. 我们认为,铌的现有的势函数描述其高压特性时不再适合,后续需要构建精确的温度和压强依赖的相互作用势函数来研究铌的高压特性.     

温度及深度对钛中氦泡释放过程影响的分子动力学研究

利用分子动力学模拟方法对温度及He泡深度给金属Ti内He泡的体积、压强和释放过程等带来的影响进行了研究. 首先, 通过研究室温下He泡在金属Ti内不同深度处的状态, 得到He泡的形状、压强、体积等物理量随其深度的变化规律. 发现He泡压强随其深度增加逐渐变大, 体积则逐渐减小, 但当He泡深度增大到2.6 nm时, 二者均维持在某个固定值附近. 然后对包含有He泡的Ti体系在温度作用下的演化过程进行了模拟, 发现不同深度处He泡从金属Ti内释放出来所需要的临界温度有很大差别, 总体来看He泡越深, 释放所需的临界温度越高. 但不同温度下He原子的释放速率没有明显差别, 释放过程几乎均为瞬间完成. 最后通过对He泡内部压强和其上方金属Ti薄层的抗张强度进行统计对比, 阐述了金属Ti 体内He泡的释放机制: 当He泡内部压强大于其上方Ti薄层抗张强度时, He泡就会将Ti 薄层撕裂, 从而使He原子得到释放.     

NanoSQUID as magnetic sensor for magnetic nanoparticles characterization

Integrated magnetic sensors based on niobium dc SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) for nanoparticle characterizations are presented. The SQUIDs consists of two Dayem bridges of 90 nm × 250 nm and loop area of 4, 1, and 0.55 μm². The devices are realized by using an e-beam lithography nano-fabrication process which can directly pattern the devices in an electron-positive resist and then transferred to a 20 nm single niobium layer by a lift-off post-process. The SQUIDs were designed to have a hysteretic current–voltage characteristic in order to work as a magnetic flux-current transducer. The presence of an integrated niobium coil, tightly coupled to the SQUID, allows us to easily excite the SQUID and to flux bias the SQUID at its optimal working point. Current–voltage characteristics, critical current as a function of the external magnetic field and switching current distributions were performed at liquid helium temperature. A critical current modulation of about 20% and a current-magnetic flux transfer coefficient (responsivity) of 30 μA/Φ₀ have been obtained, resulting in a magnetic flux resolution better than 1 mΦ₀. The authors performed preliminary measurements with and without iron oxide nanoparticles on the SQUID loop in order to show the device sensitivity in view of nano-magnetism applications. It was showed that the presence of magnetic nanoparticles can be easily detected and the magnetic relaxation curve measured.     

用于射频超导腔制造的大晶粒铌材热导研究（英）

大晶粒铌材由于声子峰效应在2 K温度具有良好的热导,这有助于提高超导腔的热稳定性。对宁夏东方钽业股份有限公司（OTIC）生产的大晶粒铌材在不同热处理条件下的热导和晶格缺陷开展了研究,结果表明经过超过800 ℃的热处理,OTIC的大晶粒铌材能够恢复声子峰,这与之前DESY的测量结果不同。认为用其加工的超导腔有望具备较好热稳定性。     

金属钛中氦团簇融合的分子动力学模拟

运用分子动力学方法研究了金属钛中氦的扩散聚集行为.在300—800K的温度范围内,模拟了钛基底中氦团簇之间的融合过程.研究发现,温度的升高会加快氦团簇的融合.在300—800K,融合后的氦团簇在所模拟的时间尺度内三维结构保持不变.模拟结果还表明,常温下氦团簇之间的吸引力是导致氦团簇融合的重要因素. 关键词： 氦团簇 团簇融合 分子动力学模拟     

高密度氦相变的分子动力学研究

采用分子动力学方法结合对关联函数分析计算了0–1000 K范围内氦的固–液相变曲线, 与实验数据的对比显示, 在0–500 K之间与实验数据符合很好, 500 K以上还没有相应的实验数据. 另外, 计算了钛金属中不同尺寸氦泡的压强, 并与高密度氦的固–液相变曲线进行了对比. 结果显示, 在低温条件下, 随着温度的降低, 钛晶体中可能会出现固态氦泡; 在300 K以上不会存在固态氦泡.     

同轴空心阴极氦等离子体的电子激发温度研究

利用同轴空心阴极放电装置,产生氦低温等离子体。通过对等离子体的发射光谱进行测量和计算,研究放电功率以及氦气压强对等离子体的电子激发温度的影响。结果表明:氦低温等离子体的发射光谱主要由连续谱和原子谱线构成,放电功率和压强对谱线的强度具有明显影响。压强的变化不仅影响电子从电场中获得的能量,还会影响电子与原子的碰撞频率,从而导致电子激发温度随着氦气压强的增大,出现先上升后下降的变化趋势。