項目名稱： 高能離子束與物質相互作用的微觀機理研究 首席科學家： 肖國青 中國科學院近代物理研究所 起止年限： 2010 年 1 月 8 月 依托部門： 中國科學院 一、研究內容 本項目的核心是通過建立和強化特殊現(xiàn)象效應與實驗條件的聯(lián)系，充分發(fā)現(xiàn)和利用不同物質中 離 子束的行為與新現(xiàn)象，揭示 離子束與物質相互作用的本質，為離子束及其相關技術在新型能源、特殊材料、先進信息 等科學領域的重大應用提供科學支撐。擬解決的關鍵科學問題和主要研究內容如下： 科學問題 一：離子束強激發(fā)產生高能量密度物質的機理 特殊離子束在物質中的能量和質量沉積模式；高能、高電荷態(tài)離子與物質作用過程中電荷態(tài)的瞬變行為；離子束瞬間高密度能量沉積引起的 瞬間輻射現(xiàn)象和過程、 物質微結構和性質變化 及其 探測。 主要研究內容： （ 1）高電荷態(tài)重離子束與不同復雜物質體系（固體、稠密等離子體、納米結構或薄膜等）相互作用規(guī)律，以及物質的結構效應、尺度效應、集體效應對重離子電荷態(tài)、能量沉積及靶物質電離與激發(fā)過程的影響。 （ 2）物質中強流 離子 束能量和質量沉積 的 多粒子輸運過程及非線性效應理論和 微觀模型 。 （ 3） 離子束強激發(fā)產生的高能量密度狀態(tài)物質以及 瞬 間輻射現(xiàn)象和過程、 物質微結構和性質變化 ； 離 子束轟擊產生瞬時激勵信號的探測和實驗方法。 （ 4）特殊粒子束與復雜物質相互作用理論模型與 計算機模擬 ，開發(fā)出離子束在不同物質體系中能量沉積和輸運過程的模擬軟件。 科學問題 二：強離子輻照場下的物質結構損傷 離子輻照場下缺陷的產生及其演化規(guī)律； 強離子輻照場下材料結構和性能演化機理；從原子尺度 離子輻照 缺陷的產生到宏觀尺度物質結構損傷過程的建模與離子輻照損傷 的 多尺度模擬計算 ；離子輻照損傷探測新技術與方法 。 主要研究內容： （ 1）離子輻照 初級產生的缺陷， 原子尺度上的缺陷行為 ，缺 陷 與 缺陷、晶粒、晶界 /界面區(qū)域等結構的相互作用機制。 （ 2）強離子輻照損傷水平條件下， 材料結構演變新現(xiàn)象以及強 輻照損傷引起材料結構 和性能演化的機理。 （ 3） 不同載能離子 /粒子 輻照損傷的等價關系，環(huán)境因素（如溫度、磁場、電場等）對輻照損傷效應 的影響 。 （ 4） 探索從原子、介觀到宏觀尺度的 離子輻照 損傷演化過程以及相關物理模型之間的有機聯(lián)系，實現(xiàn) 離子輻照 損傷過程的 多尺度的模擬計算 ，發(fā)展微納尺度離子輻照損傷探測新技術與方法 。 科學問題 三： 載能離子誘導微納結構演變及其控制 微納結構物質的 載能離子 輻照效應規(guī)律； 載能離子與 微納物質結構體的相互作用機制；離子束誘導 復雜 物質結構體 微觀結構演變 /相變 機制與 固體納米結構的形成理論 ； 納米結構的晶格定向 演 化、精確摻雜以及結構的精細調控 原理 ； 固態(tài)相變計算機模擬及多尺度模型 。 主要研究內容： （ 1）載能離子引起的 納米材料的結構演變；微納結構物質的 載能離子 輻照效應理論模型。 （ 2）載能離子 作用下固體納米結構的形成過程、機制與性能；建立固態(tài)相變計算機模擬及多尺度模型。 （ 3）特殊離子束處理與 納米結構的晶格定向 演 化、精確摻雜以及結構的精細調控 機理 ； 構建 載能離子 作用下固體納米結構的形成理論。 （ 4） 新型 微納結構的載能離子束制備 ，特別是尺度為幾 二、預期目標 總體目標： 本項目 將重點依托國家大科學工程蘭州重離子加速器， 聯(lián)合國內優(yōu)勢力量， 針對載能離子束與物質相互作用，特別是微觀機理研究中尚未解決的 重大科學問題， 在三個方面開展多層次的綜合研究： 1） 離子束強激發(fā)產生高能量密度物質的機理 ； 2） 強離子輻照場下的物質結構損傷 ； 3）載能離子誘導微納結構演變及其控制。研究課題將突出科學問題的原創(chuàng)性，促進與技術創(chuàng)新的結合。 通過本項目研究，揭示 極端條件下 離子束與物質相互作用微 觀物理機制，建立描述相關過程的科學理論和方法， 使人們明晰如何實現(xiàn) 離子束技術應用的新原理、新方法， 對 離子束與物質相互作用 的認識上一個臺階。 力爭在實驗和理論兩個方面取得標志性的成果， 培養(yǎng)一批從事相關領域研究的優(yōu)秀人才， 使我國 離 子束與物質相互作用 研究整體上進入國際先進行列 ， 占有重要的一席之地， 為我國新型材料技術發(fā)展、信息和 新能源科學 等 國民經濟和國家安全 領域的 重大需求 奠定必要的實驗基礎 ，提供必要的理論依據(jù)和實驗證據(jù) 。 五年預期目標 : （ 1） 高能高電荷態(tài)離子引起物質強電離激發(fā)過程研究 ： 建立高能高電荷態(tài)離子與靶原子 相互作用的微觀模型及實驗探測方法，研究 高能高電荷態(tài)離子在物質中電荷態(tài)的 瞬變規(guī)律、能量沉積和輸運過程，以及靶物質的電離和激化過程， 為重離子束驅動聚變技術、離子束微納制造技術及離子束輻照材料改性技術提供必要的理論支撐，并為這些技術的實際應用提供可能的實時監(jiān)測和控制技術的理論與實驗基礎。 （ 2） 瞬間高密度能量沉積引起的物態(tài)演化規(guī)律 ： 利用 蘭州重離子加速器等提供的強離子束， 實驗研究離子束 瞬間高密度能量沉積 在固體中 引起 的 效應 的產生 過程 ， 揭示 離子 瞬間高密度能量沉積引起的物質結構和性質變化規(guī)律； 探究離子 聲學以及其它瞬間輻射 等 特殊物理 現(xiàn)象 ； 建立高能 高密度 離子 束激勵產生的瞬時信號的探測技術和實驗方法； 為 國家在 先進能源、國防、新材料技術等相關領域中的一些 重大需求提供必要的理論依據(jù)和實驗數(shù)據(jù) 。 （ 3） 微納尺度離子輻照損傷過程研究 ： 緊密結合實驗數(shù)據(jù)和從頭計算方法，建立不同能量下、不同電荷態(tài)重離子和其它射線與分子、團簇等微納尺度物質相互作用的微觀動力學模型； 探索 離子輻照 初級產生的缺陷， 原子尺度上的缺陷行為，缺陷與缺陷、晶粒、晶界 /界面區(qū)域等結構的相互作用機制 ； 建立微納尺度離子輻照損傷演化模型以及模擬計算 程序；建立原子和分子尺度的離子輻照 損傷 探測新技術與方法。 （ 4） 強離子輻照引起材料損傷研究 ： 揭示 強 離子輻照損傷水平條件下 材料 結構和性能演化的機理 ；揭示 環(huán)境因素對 材料，特別是核材料 輻照損傷效應 的影響 ，不同種類粒子輻照效應的特點、差異、相互之間的聯(lián)系，建立 不同載能粒子 輻照損傷之間的等價關系 ， 提供確認材料輻照損傷行為極限特性和達到改善性能的方法 ； 實現(xiàn) 從原子、介觀到到宏觀尺度的 離子輻照 損傷演化過程的 多尺度計算機模擬計算，包括 ab 對典型微觀 /介觀結構樣品的模擬方法以及各種模擬技術之間的銜接方法 ， 為 設計 在裂變 /聚變堆等極端 環(huán)境下應用的抗強輻射材料提供參考依據(jù)。 （ 5） 離子束誘導微納物質相變機制研究 ： 揭示 載能離子 作用下 微納物質的結構、性能及其控制規(guī)律；揭示粒子束與微納物質作用過程及誘導相變機制；詮釋粒子束作用下微納材料中的一些新現(xiàn)象、新規(guī)律和新性能， 獲得具有特殊性能的新型材料。 建立 載能離子 作用下 ， 固體納米結構的形成理論和復合金屬體系中固態(tài)相變的多尺度模型。 （ 6） 微納結構的載能離子制備、調控及其機理 ： 揭示 載能離子束 驅動可控構建納米結構的機制 ，為粒子束調控、合成納米結構新材料特別是 半導體材料和 光電功能材料 提供理論依據(jù)； 揭示不同劑 量離子注入在不同半導體材料中形成納米尺度新結構、新材料的物理機制 ； 建立利用離子束在納米尺度內對材料結構進行精確調控的 技術工藝方法 ，推動離子束技術在 改進材料與 新器件結構制備中的應用。 （ 7） 研究成果將發(fā)表高水平學術論文 300 篇以上， 出版專著 1， 申請國家發(fā)明專利 15 項以上； 培養(yǎng)碩士和博士研究生 100 名 以上， 鑄就 一支高水平的具有創(chuàng)新與攻堅能力的研究隊伍，形成若干個優(yōu)秀創(chuàng)新群體；建設本領域高水平的基礎研究和技術創(chuàng)新基地；提高在國際學術界的地位和活躍程度，進一步提升在國際合作中的地位。 三、研究方案 學術 思路： 面向國家重大需求，牽引 離子束與物質相互作用 基礎研究： 本項目將從 重離子束驅動 慣性約束聚變相關 高能量密度物理、新一代核能系統(tǒng)材料評價篩選、 微納結構 精確 調控、新型微納結構 的制備與 調控 等重大需求出發(fā)，針對所需的特殊離子束和實驗技術，來開展 離子束與物質相互作用 的基礎研究工作，重點探索特殊 離子束作用下的新物理效應與現(xiàn)象， 建立利用離子束快速評價核能材料的標準，尋找微納結構的離子束精確調控途徑， 滿足未來先進 離子束技術發(fā)展與應用的需求。 通過學科互補，突破 離子束技術 應用 ： 本項目涉及載能離子物理學、凝聚態(tài)物理學、原子物 理學、光電子學、材料科學以及高能量密度物理、計算物理 等學科。本項目涉及的研究內容在單一學科的框架下很難解決，必須組織跨學科的隊伍，通過學科交叉來解決問題。為此，本項目從學科交叉的角度出發(fā)，聯(lián)合了國內的優(yōu)勢單位組成了跨學科的研究團隊，圍繞同一個目標來攻克 離子束與物質相互作用基礎研究 以及應用中的關鍵科學問題。 技術路線 ： 本項目以解決離子束與物質相互作用的關鍵科學問題為目標，理論、實驗和計算機模擬三者相結合，獲取基本數(shù)據(jù)，從不同層面描述離子束與物質相互作用的現(xiàn)象和規(guī)律， 揭示相關物理過程 微觀機理 ， 發(fā)展和建立比較 完善的 離子束與物質相互作用的理論， 為 我國未來先進 離子束技術的發(fā)展提供基礎理論 支撐 。 四、年度計劃 第一年 （ 1）改造及完善 離子束裝置上的在束離子輻照實驗條件，包括：離子束 瞬間高密度能量沉積 激勵產生的瞬時輻射探測以及 應力波傳播、離子聲學等超快過程的 在線實驗測量系統(tǒng)， 高電荷態(tài)離子在表面碰撞過程的實驗測量系統(tǒng)，低溫至高溫條件下離子輻照靶室系統(tǒng)的控制及在線光學檢測等，電子學插件、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)以及技術支撐條件。 （ 2）利用 高能 高電荷態(tài) 重離子和 脈沖 重離子等束流， 實驗研究離子束在凝聚態(tài)物質中的能量沉積和輸運過程， 固體 材料的局域損傷、狀態(tài)變化及結構相變現(xiàn)象 ，以及離子束流參數(shù)對它們的影響；基于 ab 計算 方法、半經驗方法和實驗數(shù)據(jù)， 開展初步的瞬間高密度能量沉積引起物質結構和性質演化的計算機模擬研究。 （ 3）建立探測建立高電荷態(tài)離子與表面原子的碰撞模型、高能離子與凝聚態(tài)物質和稠密等離子體相互作用的理論模型， 高能重離子與微納尺度物質原子的作用中，與靶原子核發(fā)生反應的微觀輸運理論模型等， 并著手編制計算機模擬程序。 （ 4） 改造和完善全輻射測量技術 (并利 用該技術完成鐵的快中子激發(fā)全輻射測量和數(shù)據(jù)分析，提取鐵的（ n， p）、（ n， a）反應的截面數(shù)據(jù)。 （ 5） 利用加速器提供離子束流 輻照低放射活性合金、納米材料 /復合材料、 究較大輻照位移損傷條件下，材料微觀結構的變化；構建低放射性合金（主要是晶界部分）、納米多層膜及微納顆粒樣品模型，開始用分子動力學方法模擬離子輻照下上述模型材料中缺陷的擴散與遷移，以及晶界對缺陷吸收等。 （ 6） 研究荷能離子作用下 具有特殊性能的碳基新型準一維納米材料 形成，探索離子在 準一維碳納米管中的能量、質量傳輸過程，碳 納米結構的損 傷與組織演變及其規(guī)律及控制。 （ 7） 利用離子束注入 /輻照材料缺陷工程技術，研究缺陷控制和材料結構調制，探索新型半導體新材料合成和 光電功能材料光波導制備的 機理。 第二年 （ 1）完成上年度提出的離子輻照實驗條件和技術支撐條件改進與完善目標。 （ 2）利用 高能 高電荷態(tài) 重離子和 脈沖 重離子等束流，繼續(xù)進行 離子束在凝聚態(tài)物質中的能量沉積和輸運過程， 固體 材料的局域損傷、狀態(tài)變化及結構相變現(xiàn)象 實驗研究； 開展 離子束 瞬間高密度能量沉積 激勵在凝聚態(tài)物質中產生的瞬時 應力波及其傳播行為、離子聲學等的第一輪 在線實驗研究 。 （ 3）開展高 電荷態(tài)離子在表面的碰撞過程實驗研究，確定入射離子的種類、入射能量和角度、表面原子種類對電離、激發(fā)截面的影響；完善高電荷態(tài)離子與表面碰撞的 擬程序。 （ 4）開展高能重離子束與氣體放電等離子體相互作用，特別是離子束在等離子體中的能損及其電荷態(tài)效應的研究；完善模擬高能離子在稠密等離子體中傳輸過程的二維 C 數(shù)值模擬程序，初步研究非線性動力學極化效應對重離子能量沉積的影響，并與線性理論進行比較。 （ 5） 初步建立不同電荷態(tài)離子輻照下，原子、分子以及微納尺度物質多電子發(fā)射理論模型、電子離子關聯(lián)動力學理論模型。 （ 6） 利用 術完成鈷核素的快中子激發(fā)全輻射測量和數(shù)據(jù)分析，提取鈷的快中子（ n， p）、（ n， a）截面數(shù)據(jù)。同時開始鐵、鈷材料在快中子輻照下的氫 /氦脆化效應研究。 （ 7）利用強離子輻照典型納米結構樣品及納米顆粒鑲嵌（如 品，研究材料中晶粒、晶界 /界面區(qū)域等微觀 /介觀結構的穩(wěn)定性和隨輻照劑量（或溫度等條件的演化過程，并觀測輻照前后上述材料的微觀結構及力學等物性變化；繼續(xù)輻照缺陷的擴散與遷移，以及晶界對缺陷吸收的分子動力學模擬，探索多尺度模擬計算方法。 （ 8） 研究荷能離子束驅動相變的熱 力學和動力學機理及小體系中與生長相關的熱力學和表面反應動力學，系統(tǒng)探索離子束驅動納米材料的結構演變及其對材料的宏觀性能的影響規(guī)律； 利用微結構分析和多尺度模擬計算方法，進行離子束誘導固態(tài)相變過程及其機理研究， 探索荷能粒子作用下微納結構物質的輻照損傷理論模型、固體納米結構的形成理論。 （ 9） 準備項目中期評估。 第三年 （ 1） 完成項目中期評估，并根據(jù)評估意見適當調整研究計劃。 （ 2）在前兩年工作的基礎上，進一步優(yōu)化調整實驗方案，繼續(xù)進行高電荷態(tài)離子在表面的碰撞過程和高能高電荷態(tài)重離子束流與氣體放電等離子體相互作 用的補充實驗研究。模擬高能離子在稠密等離子體中傳輸過程，系統(tǒng)地分析等離子體狀態(tài)參數(shù)（密度、溫度、粒子的種類等）及入射離子的參數(shù)（入射速度、入射角度）對極化過程及能量沉積的影響；模擬高能離子與微納結構物質體系的相互作用過程，系統(tǒng)分析體系的結構效應（或尺度效應）對電激發(fā)過程及能量沉積的影響。 （ 3）利用 高能 高電荷態(tài) 重離子和 脈沖 重離子等束流， 開展 離 子束 瞬間高密度能量沉積在固體中產生 的瞬時輻射和粒子發(fā)射現(xiàn)象實驗研究； 繼續(xù)進行 離子束在凝聚態(tài)物質中的能量沉積和輸運過程， 固體 材料的局域損傷、狀態(tài)變化及結構相變現(xiàn)象 實驗研究 ， 瞬間高密度能量沉積 激勵在凝聚態(tài)物質中產生的瞬時 應力波及其傳播行為、離子聲學等的 實驗研究 ，與已有的理論進行系統(tǒng)對比 ，嘗試建立沉積能量密度與物質狀態(tài)的關系 。 （ 4） 利用 術完成鈮核素的快中子激發(fā)全輻射測量和數(shù)據(jù)分析，進行鐵、鈷、鈮材料在快中子輻照下的氫 /氦脆化效應研究。 （ 5） 完成聚合物輻照樣品的太赫茲時域光譜測量研究工作，提取離子徑跡在太赫茲波段和紫外可見波段的電光學性質，與常規(guī)測量結果進行對比分析。 （ 6） 開展 磁場與電場環(huán)境下的 高能重 離子輻照實驗，研究電、磁場環(huán)境下離子輻照損傷與材料，特別是核材 料物性的關系 ；開展 強流 子及重離子輻照條件下材料中氦泡的形成與高 用 擬研究照缺陷的擴散與遷移、晶界對缺陷吸收與晶粒 /晶界的微觀結構關系。 （ 7） 研究高溫 H 等離子體作用下碳納米管的結構演變過程和變化規(guī)律； 研究 碳基 準一維類金剛石和金剛石納米材料的結構演變對材料的光電特性的影響。 （ 8）探索快重離子輻照材料中光波導形成機理的微觀機制， 研究氦離子注入納米孔缺陷調制新型半導體新材料合成機理。 第四年 （ 1）深入研究外加強磁場、強電場對高能離子在稠密等離子體中傳輸過程的影響 ，包括外加電磁場對等離子體極化效應、高能離子軌跡及能量沉積的影響；繼續(xù)模擬高能離子與微納結構物質體系的相互作用過程，分析體系的結構效應（或尺度效應）對電激發(fā)過程及能量沉積的影響。 （ 2）利用 供的脈沖調制 高能重離子束流，繼續(xù) 開展 離 子束 瞬間高密度能量沉積在固體中產生 的瞬時輻射和粒子發(fā)射現(xiàn)象、 離子聲學等 實驗研究， 嘗試建立物理模型 ； 繼續(xù)實驗 研究離子束 瞬間高密度能量沉積 引起的 典型 固體 材料中局域損傷、狀態(tài)變化及結構相變現(xiàn)象， 檢驗沉積 能量密度與物質狀態(tài)的關系 ；開展高密度能量沉積條件下靶物質超快加熱和膨 脹過程中的相關特性研究。與實驗工作配合，繼續(xù)進行離子束 瞬間高密度能量沉積 引起的物質結構和狀態(tài)演化的 理論研究工作。應用建立起來的殼模型作大規(guī)模計算，模擬研究高能密度下材料物性與能量沉積密度的關系，期望能得到新的物理結果，解釋奇異的實驗現(xiàn)象。 （ 3） 利用 術完成鎳和釩核素的快中子激發(fā)全輻射測量和數(shù)據(jù)分析，提取鎳和釩的快中子（ n， p）、（ n， a）截面數(shù)據(jù)。同時進行鎳、釩材料在快中子輻照下的氫 /氦脆化效應研究。 （ 4） 完成單晶硅和 照樣品的太赫茲時域光譜測量研究工作，提取離子徑跡在太赫茲波段和紫外 可見波段的電光學性質，同時探索利用離子輻照單晶硅和 品制備太赫茲發(fā)射晶體的可行性 （ 5）繼續(xù)開展不同離子種類及能損的離子輻照實驗，研究材料輻照損傷與離子種類等離子參數(shù)的關系，材料中在晶粒、晶界 /界面區(qū)域等微觀結構附近氦泡的形成機制及其演化過程，微觀 /介觀結構及輻照劑量（或 溫度等條件對缺陷遷移、復合及吸收的影響 ； 開展多尺度模擬工作。 （ 6） 利用離子輻照，研究準一