संघट्ट सोपान

संघनित-पदार्थ भौतिकी में, एक संघट्ट सोपान (विस्थापन सोपान या विस्थापन शूक के रूप में भी जाना जाता है) एक ठोस या द्रव में ऊर्जावान कण द्वारा प्रेरित परमाणुओं के आस-पास के ऊर्जावान (साधारण तापीय ऊर्जा से बहुत अधिक) संघट्ट का एक समुच्चय है। यदि संघट्ट सोपान में अधिकतम परमाणु या आयन ऊर्जा सामग्री की देहली विस्थापन ऊर्जा (दसियों ईवीएस या अधिक) से अधिक है, तो संघट्ट परमाणुओं को उनके जालक स्थलों से स्थायी रूप से विस्थापित कर सकते हैं और क्रिस्टललेखीय दोष उत्पन्न कर सकते हैं। प्रारंभिक ऊर्जावान परमाणु हो सकता है, उदाहरण के लिए, एक कण त्वरक से एक आयन, उच्च-ऊर्जा न्यूट्रॉन, इलेक्ट्रॉन या फोटॉन द्वारा उत्पादित एक परमाणु पुनरावृत्ति, या एक रेडियोधर्मी नाभिक क्षय होने पर उत्पन्न होता है और परमाणु को एक पुनरावृत्ति ऊर्जा प्रदान करता है।

संघट्ट सोपान की प्रकृति पुनरावृत्ति/आगमी आयन की ऊर्जा, द्रव्यमान और सामग्री के घनत्व (निरोधी शक्ति) के आधार पर दृढ़ता से भिन्न हो सकती है।

रैखिक सोपान
जब प्रारंभिक प्रतिक्षिप्त/आयन द्रव्यमान कम होता है और जिस सामग्री में सोपान होता है उसका घनत्व कम होता है (अर्थात प्रतिक्षिप्त-सामग्री संयोजन में कम निरोधी शक्ति होती है), प्रारंभिक पुनरावृत्ति और प्रतिरूप परमाणुओं के मध्य संघट्ट कदाचित ही कभी होता है और हो सकता है कि परमाणुओं के मध्य स्वतंत्र द्विआधारी संघट्टों के अनुक्रम के रूप में अच्छी तरह से समझा जा सकता है। द्विआधारी संघट्ट सन्निकटन (BCA) अनुकरण दृष्टिकोण का उपयोग करके इस प्रकार के सोपान को सैद्धांतिक रूप से अच्छी तरह से व्यवहार किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, 10 केईवी से कम ऊर्जा वाले H और He आयनों से सभी सामग्रियों में विशुद्ध रूप से रैखिक सोपान की प्रत्याशा की जा सकती है।

पदार्थ में सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला बीसीए बीजांक एसआरआईएम 1 GeV की आयन ऊर्जा तक सभी सामग्रियों में सभी आयनों के लिए अव्यवस्थित सामग्रियों में रैखिक संघट्ट सोपान का अनुकरण करने के लिए उपयोग किया जा सकता है। ध्यान दें, हालांकि, एसआरआईएम इलेक्ट्रानिकी ऊर्जा निक्षेपण के कारण क्षति या उत्तेजित इलेक्ट्रॉनों द्वारा उत्पन्न क्षति जैसे प्रभावों का विवेचन नहीं करता है। उपयोग की जाने वाली परमाणु और इलेक्ट्रॉनी निरोधी शक्तियां प्रयोगों के लिए औसत अनुरूप हैं और इस प्रकार पूर्णतया से सटीक भी नहीं हैं। इलेक्ट्रॉनी निरोधी क्षमता को द्विआधारी संघट्ट सन्निकटन या आणविक गतिशीलता (MD) अनुकरणो में सरलता से सम्मिलित किया जा सकता है। एमडी अनुकरण में उन्हें घर्षण बल के रूप में सम्मिलित किया जा सकता है      या अधिक उन्नत विधि से इलेक्ट्रानिकी प्रणाली के ताप का अनुसरण करके और परमाणु डिग्री को युग्मित करके सम्मिलित किया जा सकता है।   हालांकि, इलेक्ट्रॉनी निरोधी शक्ति या इलेक्ट्रॉन-फ़ोनान युग्मन की उपयुक्त निम्न-ऊर्जा सीमा क्या है, इस पर अनिश्चितता बनी हुई है। रैखिक सोपान में प्रतिरूपो में उत्पादित प्रतिक्षिप्त के समुच्चय को प्रतिक्षिप्त उत्पादन के अनुक्रमों के रूप में वर्णित किया जा सकता है, जो इस तथ्य पर निर्भर करता है कि मूल संघट्ट के पश्चात कितने संघट्ट चरण पारित हुए हैं: प्राथमिक प्रघातक्षिप्त परमाणु (PKA), द्वितीयक प्रघातक्षिप्त परमाणु (SKA), तृतीयक प्रघातक्षिप्त परमाणु (TKA), आदि। चूंकि यह बहुत कम संभावना है कि सभी ऊर्जाओं को एक प्रघातक्षिप्त परमाणुओं में स्थानांतरित किया जाएगा, प्रत्येक उत्पादन के प्रतिक्षिप्त परमाणुओं में पिछले की तुलना में औसतन कम ऊर्जा होती है और अंततः प्रघातक्षिप्त क्षति उत्पादन के लिए परमाणु ऊर्जा देहली विस्थापन ऊर्जा से नीचे चली जाती है, जिस बिंदु पर और अधिक क्षति उत्पन्न नहीं की जा सकती है।

ऊष्मा शूक (तापीय शूक)
जब आयन सघन और पर्याप्त ऊर्जावान होता है और सामग्री सघन होती है, तो आयनों के मध्य संघट्ट एक-दूसरे के इतने निकट हो सकते हैं कि उन्हें एक-दूसरे से स्वतंत्र नहीं माना जा सकता हैं। इस स्थिति में प्रक्रिया सैकड़ों और दसियों हजारों परमाणुओं के मध्य बहुपिंडी अन्तःक्रिया की एक जटिल प्रक्रिया बन जाती है, जिसे बीसीए के साथ अभिक्रियित नहीं किया जा सकता है, परन्तु आणविक गतिशीलता विधियों का उपयोग करके मॉडलिंग की जा सकती है।

सामान्यतः, ऊष्मा शूक की पहचान सोपान के केंद्र में एक क्षणिक अतिसघन क्षेत्रों और इसके चारों ओर एक अत्यधिक अल्पसघन क्षेत्रों के विरचन से होती है। सोपान के पश्चात, अत्यधिक सघन क्षेत्र अंतरालीय दोष बन जाता है और कम सघन क्षेत्र सामान्यतः रिक्तियों का क्षेत्र बन जाता है।

यदि सघन संघट्टों के क्षेत्र में परमाणुओं की गतिज ऊर्जा को तापमान में पुनर्गणना किया जाता है (मूल समीकरण E = 3/2·N·kBT का उपयोग करके), तो पाया जाता है कि तापमान की इकाइयों में गतिज ऊर्जा प्रारंभ में 10,000 के क्रम की होती है। इसी कारण से, इस क्षेत्र को बहुत गर्म माना जा सकता है और इसलिए इसे ऊष्मा शूक या तापीय शूक कहा जाता है (दो शब्दों को सामान्यतः समतुल्य माना जाता है)। ऊष्मा शूक 1-100 पीएस में परिवेश के तापमान तक शीतल हो जाता है, इसलिए यहां का "तापमान" ऊष्मागतिक संतुलन तापमान के अनुरूप नहीं होता है। हालांकि, यह दर्शाया गया है कि लगभग 3 जालक कंपनों के पश्चात, ऊष्मा शूक में परमाणुओं के गतिज ऊर्जा वितरण में मैक्सवेल-बोल्ट्ज़मैन वितरण होता है, जो तापमान की अवधारणा के उपयोग को कुछ सीमा तक उचित बनाता है। इसके अतिरिक्त, प्रयोगों से पता चला है कि ऊष्मा शूक एक चरण संक्रमण को प्रेरित कर सकती है जिसे बहुत उच्च तापमान की आवश्यकता होती है, यह दर्शाता है कि (गैर-संतुलन) तापमान की अवधारणा वास्तव में संघट्ट सोपान का वर्णन करने में उपयोगी होती है।

कई स्थितियों में, समान विकिरण स्थिति रैखिक सोपान और ऊष्मा शूक का संयोजन है। उदाहरण के लिए, Cu पर बमकारी करने वाले 10 MeV Cu आयन प्रारंभ में एक रेखीय सोपान प्रणाली में जालक में चले जाएंगे, क्योंकि परमाणु निरोधी शक्ति कम है। लेकिन एक बार Cu आयन काफी धीमा हो जाएगा, तो परमाणु निरोधी शक्ति बढ़ जाएगी और ऊष्मा शूक उत्पन्न होगा। इसके अतिरिक्त, आने वाले आयनों के कई प्राथमिक और द्वितीयक प्रतिक्षिप्त में केईवी क्षेत्रों में ऊर्जा होने की संभावना होती है और इस प्रकार ऊष्मा शूक उत्पन्न होता है।

उदाहरण के लिए, तांबे के विकिरण के लिए, लगभग 5-20 केईवी की प्रतिक्षिप्त ऊर्जा लगभग ऊष्मा शूक उत्पन्न करने की प्रत्याभूति है। कम ऊर्जा पर, द्रव जैसे क्षेत्र का निर्माण करने के लिए सोपान ऊर्जा बहुत कम होती है। बहुत अधिक ऊर्जाओं पर, Cu आयनों के प्रारंभ में एक रैखिक सोपान की संभावना सबसे अधिक होती है, परन्तु प्रतिक्षिप्त ऊष्मा शूक को उत्पन्न कर सकता है, जैसा प्रारंभिक आयन पर्याप्त धीमा हो जाने पर होता है। अवधारणा उप सोपान विघटन देहली ऊर्जा उस ऊर्जा को दर्शाती है जिसके ऊपर एक सामग्री में प्रतिक्षिप्त एक सघन के बजाय कई अलग-अलग ऊष्मा शूको का उत्पादन करने की संभावना है।

ऊष्मा शूक प्रणाली में संघट्ट सोपान के परिकलक अनुकरण-आधारित अनुप्राणन यूट्यूब पर उपलब्ध हैं।

क्षिप्र सघन आयन तापीय शूक
क्षिप्र सघन आयन, अर्थात एमईवी और जीईवी सघन आयन जो एक बहुत प्रबल निरोधी शक्ति द्वारा क्षति उत्पन्न करते हैं, उन्हें तापीय शूक का उत्पादन करने के लिए भी माना जा सकता है, इस अर्थ में कि वे प्रबल जालक ताप और एक क्षणिक अव्यवस्थित परमाणु क्षेत्र का नेतृत्व करते हैं। हालांकि, कम से कम क्षति की प्रारंभिक अवस्था को कूलॉम विस्फोटन प्रक्रिया के संदर्भ में उन्नत तरीके से समझा जा सकता है। तापन प्रक्रिया जो भी हो, यह अच्छी तरह से स्थापित है कि ऊष्मारोधी में तीव्रता से सघन आयन सामान्यतः कम घनत्व वाले लंबे बेलनाकार क्षति क्षेत्र बनाने वाले आयन पथ का उत्पादन करते हैं।

समय मापक्रम
संघट्ट सोपान की प्रकृति को समझने के लिए, संबंधित समय मापक्रम को जानना अत्यधिक महत्वपूर्ण है। सोपान की प्राक्षेपिक अवस्था, जब प्रारंभिक आयन/प्रतिक्षिप्त और इसके प्राथमिक और निचले क्रम के प्रतिक्षिप्त में देहली विस्थापन ऊर्जा के ऊपर अच्छी तरह से ऊर्जा होती है, सामान्यतः 0.1-0.5 पीएस तक रहता है। यदि ऊष्मा शूक बनता है, तो यह लगभग 1-100 पीएस तक जीवित रह सकता है जब तक कि शूक तापमान अनिवार्य रूप से परिवेश के तापमान तक शीतल न हो जाए। सोपान का शीतल होना जालक ताप चालकता के माध्यम से होता है और गर्म आयनिक उपतंत्र द्वारा इलेक्ट्रॉन-फोनन युग्मन के माध्यम से इलैक्ट्रॉनिकी को गर्म करने के पश्चात इलैक्ट्रॉनिकी तापीय चालकता द्वारा होता है। दुर्भाग्य से गर्म और अव्यवस्थित आयनिक प्रणाली से इलेक्ट्रॉन-फोनन युग्मन की दर अच्छी तरह से ज्ञात नहीं है, क्योंकि इसे गर्म इलेक्ट्रॉनों से एक अक्षत स्फटिक संरचना में ऊष्मा स्थानांतरण की काफी अच्छी तरह से ज्ञात प्रक्रिया के समान नहीं माना जा सकता है। अंत में, सोपान की शैथिल्थ अवस्था, जब दोष संभवतः पुनर्संयोजित और विस्थापित होते हैं, सामग्री, इसके दोष प्रवासन और पुनर्संयोजन गुणों और परिवेश के तापमान के आधार पर कुछ ps से अनंत समय तक रह सकते हैं।

क्षति उत्पादन
चूंकि सोपान में गतिज ऊर्जा बहुत अधिक हो सकती है, यह ऊष्मागतिक संतुलन के बाह्य स्थानीय स्तर पर सामग्री को चला सकती है। सामान्यतः इसका परिणाम दोष उत्पादन में होता है। उदाहरण के लिए, फ्रेन्केल युग्म, सुव्यवस्थित या अव्यवस्थित प्रभ्रंश पाश, चित्तिकरण दोष, या अनाकार क्षेत्र जैसे बिंदु दोष हो सकते हैं। कई सामग्रियों के लंबे समय तक विकिरण से उनका पूर्ण अरूपीकरण हो सकता है, एक ऐसा प्रभाव जो सिलिकॉन चिप के आयन आरोपण अपमिश्रण के पर्यंत नियमित रूप से होता है।

दोषों का उत्पादन हानिकारक हो सकता है, जैसे कि परमाणु विखंडन और संलयन प्रतिघातको में जहां न्यूट्रॉन सामग्री के यांत्रिक गुणों को धीरे-धीरे कम करते हैं, या एक उपयोगी और वांछित सामग्री संशोधन प्रभाव, उदाहरण के लिए, जब लेजर के संचालन को गति प्रदान करने के लिए या कार्बन नैनोट्यूब को प्रबल करने के लिए आयनों को अर्धचालक प्रमात्रा संरचनाओं में प्रस्तुत किया जाता है।

संघट्ट सोपान की एक असामान्य विशेषता यह है कि उत्पन्न होने वाली क्षति की अंतिम मात्रा ऊष्मा शूक से प्रारंभ में प्रभावित होने वाले परमाणुओं की संख्या से बहुत कम हो सकती है। विशेष रूप से शुद्ध धातुओं में, ऊष्मा शूक अवस्था के पश्चात अंतिम क्षति का उत्पादन शूक में विस्थापित परमाणुओं की संख्या से कम परिमाण का अनुक्रम हो सकता है। दूसरी ओर, अर्धचालकों और अन्य सहसंयोजक बंधित सामग्रियों में क्षति उत्पादन सामान्यतः विस्थापित परमाणुओं की संख्या के समान होता है। पुनर्संयोजित क्षति के अंश के संबंध में आयनिक सामग्री या तो धातु या अर्धचालक की तरह व्यवहार कर सकती है।

अन्य परिणाम
एक सतह के आसपास के क्षेत्रों में संघट्ट के सोपान प्रायः रैखिक शूक और ऊष्मा शूक दोनों प्रणालियों में कणक्षेपण का कारण बनते हैं। सतहों के निकट ऊष्मा शूक से भी प्रायः गर्त बन जाते है। यह गर्तन परमाणुओं के द्रव प्रवाह के कारण होते है, परन्तु अगर प्रक्षेप्य का आकार लगभग 100,000 परमाणुओं से ऊपर है, तो गर्त उत्पादन प्रक्रिया उसी प्रक्रिया में परिवर्तित हो जाती है, जो गोलियों या क्षुद्रग्रहों द्वारा निर्मित स्थूलदर्शीय गर्त के रूप में होती है।

तथ्य यह है कि कई परमाणुओं को सोपान द्वारा विस्थापित किया जाता है, इसका अर्थ है कि आयनों का उपयोग सामग्री को विचारपूर्वक मिश्रण करने के लिए किया जा सकता है, यहां तक ​​​​कि उन सामग्रियों के लिए भी जो सामान्य रूप से ऊष्मागतिकी रूप से अमिश्रणीय हैं। इस प्रभाव को आयन किरणपुंज मिश्रण के रूप में जाना जाता है।

विकिरण की गैर-संतुलन प्रकृति का उपयोग सामग्री को ऊष्मागतिकी संतुलन से बाहर निकालने के लिए भी किया जा सकता है और इस प्रकार एक नए प्रकार के मिश्र धातु बनते हैं।

यह भी देखें

 * कण वर्षण, उच्च-ऊर्जा कणों के मध्य द्विआधारी संघट्ट का एक समुच्चय जिसमें प्रायः परमाणु प्रतिक्रियाएँ सम्मिलित होती हैं।
 * विकिरण सामग्री विज्ञान
 * सीओएसआईआरईएस सम्मेलन
 * आरईआई सम्मेलन