संघट्ट सोपान

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For निचली पृथ्वी की कक्षा में वस्तुओं के मध्य टकराव का परिदृश्य जिससे भग्नावशेष की एक श्रृंखला प्रतिक्रिया उत्पन्न होती है जो अधिक भग्नावशेष का उत्पादन करने वाली अतिरिक्त वस्तुओं से टकराती है, see केसलर संलक्षण.
10 कीव ी एयू स्व-पुनरावृत्ति द्वारा प्रेरित सोने में एक संघट्ट सोपानी का शास्त्रीय आणविक गतिशीलता कंप्यूटर सिमुलेशन। यह हीट शूक शासन में संघट्ट के झरने का एक विशिष्ट मामला है। प्रत्येक छोटा गोला एक त्रि-आयामी सिमुलेशन सेल के 2-परमाणु-परत-मोटी क्रॉस सेक्शन में एक परमाणु की स्थिति को दर्शाता है। रंग (लघुगणकीय पैमाने पर) परमाणुओं की गतिज ऊर्जा दिखाते हैं, जिसमें सफेद और लाल 10 केवी से नीचे की ओर उच्च गतिज ऊर्जा होती है, और नीला कम होता है।

संघनित-पदार्थ भौतिकी में, एक संघट्ट सोपानी (विस्थापन सोपानी या विस्थापन शूक के रूप में भी जाना जाता है) एक ठोस या तरल में ऊर्जावान कण द्वारा प्रेरित परमाणुओं के आस-पास के ऊर्जावान (साधारण थर्मल ऊर्जा से बहुत अधिक) संघट्ट का एक समुच्चय है।[1][2]

यदि संघट्ट सोपानी में अधिकतम परमाणु या आयन ऊर्जा सामग्री की देहली विस्थापन ऊर्जा (इलेक्ट्रॉनवोल्ट या अधिक के दसियों) से अधिक है, तो संघट्ट स्थायी रूप से परमाणुओं को उनके ब्राविस जाली साइटों 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 रेडियोसक्रिय क्षय होने पर उत्पन्न होता है और परमाणु को एक पुनरावृत्ति ऊर्जा देता है।

संघट्ट सोपानी की प्रकृति पुनरावृत्ति/आने वाले आयन की ऊर्जा और द्रव्यमान और सामग्री की घनत्व (रोकने की शक्ति (कण विकिरण)) के आधार पर दृढ़ता से भिन्न हो सकती है।

रैखिक सोपानी

File:Bca collisions.png
परमाणुओं के बीच स्वतंत्र बाइनरी संघट्टों का योजनाबद्ध चित्रण

जब प्रारंभिक हटना/आयन द्रव्यमान कम होता है, और जिस सामग्री में सोपानी होता है उसका घनत्व कम होता है (अर्थात हटना-सामग्री संयोजन में कम रोक शक्ति (कण विकिरण) होती है), प्रारंभिक पुनरावृत्ति और नमूना परमाणुओं के बीच संघट्ट शायद ही कभी होता है , और परमाणुओं के बीच स्वतंत्र बाइनरी संघट्टों के अनुक्रम के रूप में अच्छी तरह से समझा जा सकता है। बाइनरी संघट्ट सन्निकटन (BCA) सिमुलेशन दृष्टिकोण का उपयोग करके इस तरह के सोपानी को सैद्धांतिक रूप से अच्छी तरह से व्यवहार किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, 10 केवी से कम ऊर्जा वाले एच और हे आयनों से सभी सामग्रियों में विशुद्ध रूप से रैखिक सोपानी की उम्मीद की जा सकती है।

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एक रेखीय संघट्ट सोपानी का योजनाबद्ध चित्रण। मोटी रेखा सतह की स्थिति को दर्शाती है, और पतली रेखाएं परमाणुओं के बैलिस्टिक संचलन पथ को शुरुआत से लेकर सामग्री में रुकने तक दर्शाती हैं। बैंगनी वृत्त आने वाला आयन है। लाल, नीले, हरे और पीले घेरे क्रमशः प्राथमिक, द्वितीयक, तृतीयक और चतुर्धातुक प्रतिक्षेप को दर्शाते हैं। बैलिस्टिक संघट्टों के बीच आयन सीधे रास्ते में चलते हैं।

पदार्थ में सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला बीसीए कोड स्टॉपिंग और आयनों की सीमा[3] 1 GeV की आयन ऊर्जा तक सभी सामग्रियों में सभी आयनों के लिए अव्यवस्थित सामग्रियों में रैखिक संघट्ट सोपानी का अनुकरण करने के लिए उपयोग किया जा सकता है। ध्यान दें, हालांकि, SRIM इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा जमाव के कारण क्षति या उत्तेजित इलेक्ट्रॉनों द्वारा उत्पन्न क्षति जैसे प्रभावों का इलाज नहीं करता है। उपयोग की जाने वाली परमाणु और इलेक्ट्रॉनिक रोक शक्ति (कण विकिरण) प्रयोगों के लिए औसत फिट हैं, और इस प्रकार पूरी तरह से सटीक भी नहीं हैं। इलेक्ट्रॉनिक रोक शक्ति को बाइनरी संघट्ट सन्निकटन में आसानी से शामिल किया जा सकता है[4] या आणविक गतिशीलता (एमडी) सिमुलेशन। एमडी सिमुलेशन में उन्हें घर्षण बल के रूप में शामिल किया जा सकता है [5][6][7][8][9][10][11][12] या अधिक उन्नत तरीके से इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम के ताप का अनुसरण करके और स्वतंत्रता की इलेक्ट्रॉनिक और परमाणु डिग्री को युग्मित करके।[13][14][15] हालांकि, इलेक्ट्रॉनिक रोक शक्ति या इलेक्ट्रॉन-फोनन युग्मन की उपयुक्त निम्न-ऊर्जा सीमा क्या है, इस पर अनिश्चितता बनी हुई है।[12][16]

लीनियर सोपानी में नमूने में उत्पादित रिकॉइल्स के समुच्चय को रिकॉइल पीढ़ियों के अनुक्रम के रूप में वर्णित किया जा सकता है, जो इस बात पर निर्भर करता है कि मूल संघट्ट के बाद से कितने संघट्ट चरण पारित हुए हैं: पीकेए (विकिरण) | प्राथमिक नॉक-ऑन परमाणु (पीकेए), द्वितीयक नॉक- परमाणुओं पर (SKA), तृतीयक नॉक-ऑन परमाणु (TKA), आदि। चूंकि यह बहुत कम संभावना है कि सभी ऊर्जा एक नॉक-ऑन परमाणु में स्थानांतरित हो जाएगी, प्रत्येक पीढ़ी के रिकॉइल परमाणुओं में पिछले की तुलना में औसतन कम ऊर्जा होती है, और अंततः नॉक-ऑन परमाणु ऊर्जा क्षति उत्पादन के लिए थ्रेसहोल्ड विस्थापन ऊर्जा से नीचे चली जाती है, जिस बिंदु पर और अधिक नुकसान उत्पन्न नहीं किया जा सकता है।

हीट शूक्स (थर्मल शूक्स)

जब आयन भारी और पर्याप्त ऊर्जावान होता है, और सामग्री सघन होती है, तो आयनों के बीच संघट्ट एक-दूसरे के इतने निकट हो सकते हैं कि उन्हें एक-दूसरे से स्वतंत्र नहीं माना जा सकता। इस मामले में प्रक्रिया सैकड़ों और दसियों हजारों परमाणुओं के बीच कई-शरीर की बातचीत की एक जटिल प्रक्रिया बन जाती है, जिसे बीसीए के साथ इलाज नहीं किया जा सकता है, लेकिन आणविक गतिशीलता विधियों का उपयोग करके मॉडलिंग की जा सकती है।[1][17]

File:Heatspikecollisioncascade.png
ऊपर की तरह, लेकिन बीच में संघट्ट का क्षेत्र इतना घना हो गया है कि एक साथ कई संघट्ट होते हैं, जिसे हीट शूक कहा जाता है। इस क्षेत्र में आयन जटिल पथों में चलते हैं, और पुनरावृत्ति के संख्यात्मक क्रम में अंतर करना संभव नहीं है - इसलिए परमाणु लाल और नीले रंग के मिश्रण से रंगे होते हैं।

आमतौर पर, गर्मी की वृद्धि को सोपानी के केंद्र में एक क्षणिक अंडरडेंस क्षेत्र के गठन और इसके चारों ओर एक अत्यधिक घने क्षेत्र के रूप में वर्णित किया जाता है।[1][18] सोपानी के बाद, अत्यधिक सघन क्षेत्र अंतरालीय दोष बन जाता है, और कम सघन क्षेत्र आमतौर पर क्रिस्टलोग्राफिक दोष का क्षेत्र बन जाता है।

यदि घने संघट्ट के क्षेत्र में परमाणुओं की गतिज ऊर्जा को तापमान में पुनर्गणना किया जाता है (मूल समीकरण E = 3/2·N·k का उपयोग करकेBटी), कोई पाता है कि तापमान की इकाइयों में गतिज ऊर्जा शुरू में 10,000 के क्रम की है। इस वजह से, इस क्षेत्र को बहुत गर्म माना जा सकता है, और इसलिए इसे हीट शूक या थर्मल शूक (दो शब्द) कहा जाता है। आमतौर पर समतुल्य माना जाता है)। हीट शूक 1-100 पीएस में परिवेश के तापमान तक ठंडा हो जाता है, इसलिए यहां का तापमान थर्मोडायनामिक संतुलन तापमान के अनुरूप नहीं होता है। हालांकि, यह दिखाया गया है कि लगभग 3 जाली कंपन के बाद, गर्मी की गति में परमाणुओं के गतिज ऊर्जा वितरण में मैक्सवेल-बोल्टज़मान वितरण होता है,[19] तापमान की अवधारणा के उपयोग को कुछ हद तक उचित बनाना। इसके अलावा, प्रयोगों से पता चला है कि गर्मी की वृद्धि एक चरण संक्रमण को प्रेरित कर सकती है जिसे बहुत उच्च तापमान की आवश्यकता के लिए जाना जाता है,[20] दिखा रहा है कि संघट्ट सोपानी का वर्णन करने में (गैर-संतुलन) तापमान की अवधारणा वास्तव में उपयोगी है।

कई मामलों में, समान विकिरण स्थिति रैखिक सोपानी और हीट शूक्स का संयोजन है। उदाहरण के लिए, Cu पर बमबारी करने वाले 10 MeV ताँबा आयन शुरू में एक रेखीय सोपानी शासन में जाली में चले जाएंगे, क्योंकि परमाणु रोकने की शक्ति (कण विकिरण) कम है। लेकिन एक बार क्यू आयन पर्याप्त रूप से धीमा हो जाएगा, तो परमाणु रोकने की शक्ति बढ़ जाएगी और गर्मी की वृद्धि पैदा होगी। इसके अलावा, आने वाले आयनों के कई प्राथमिक और द्वितीयक रिकॉइल्स में केवी रेंज में ऊर्जा होने की संभावना होती है और इस प्रकार गर्मी की वृद्धि होती है।

उदाहरण के लिए, तांबे के तांबे के विकिरण के लिए, लगभग 5-20 केवी की पुनरावृत्ति ऊर्जा लगभग गर्म शूक्स उत्पन्न करने की गारंटी है।[21][22] कम ऊर्जा पर, तरल जैसे क्षेत्र का निर्माण करने के लिए सोपानी ऊर्जा बहुत कम होती है। बहुत अधिक ऊर्जाओं पर, क्यू आयनों की शुरूआत में एक रैखिक सोपानी की संभावना सबसे अधिक होती है, लेकिन रिकॉइल गर्मी के शूक्स को जन्म दे सकता है, जैसा प्रारंभिक आयन पर्याप्त धीमा हो जाने पर होता है। अवधारणा सबकास्केड ब्रेकडाउन थ्रेसहोल्ड एनर्जी उस ऊर्जा को दर्शाती है जिसके ऊपर एक सामग्री में एक रिकॉइल एक घने के बजाय कई अलग-अलग हीट शूक्स का उत्पादन करने की संभावना है।

हीट शूक शासन में संघट्ट सोपानी के कंप्यूटर सिमुलेशन-आधारित एनिमेशन YouTube पर उपलब्ध हैं।[23]


तेज भारी आयन थर्मल शूक्स

स्विफ्ट भारी आयन, यानी MeV और GeV भारी आयन जो एक बहुत मजबूत रोक शक्ति (कण विकिरण) द्वारा क्षति उत्पन्न करते हैं, को थर्मल शूक्स उत्पन्न करने के लिए भी माना जा सकता है[24][25] इस अर्थ में कि वे मजबूत जालीदार ताप और एक क्षणिक अव्यवस्थित परमाणु क्षेत्र की ओर ले जाते हैं। हालांकि, कम से कम क्षति के प्रारंभिक चरण को कूलम्ब विस्फोट तंत्र के संदर्भ में बेहतर ढंग से समझा जा सकता है।[26] हीटिंग मैकेनिज्म जो भी हो, यह अच्छी तरह से स्थापित है कि इंसुलेटर में तेजी से भारी आयन आम तौर पर लंबे बेलनाकार क्षति क्षेत्र बनाने वाले आयन ट्रैक का उत्पादन करते हैं।[24][27] कम घनत्व का।[28][29]


समय का पैमाना

संघट्ट सोपानी की प्रकृति को समझने के लिए, संबंधित समय के पैमाने को जानना बहुत महत्वपूर्ण है। सोपानी का बैलिस्टिक चरण, जब प्रारंभिक आयन/रिकॉइल और इसके प्राथमिक और निचले क्रम के रीकॉइल में देहली विस्थापन ऊर्जा के ऊपर अच्छी तरह से ऊर्जा होती है, आमतौर पर 0.1-0.5 पीएस तक रहता है। यदि हीट 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 ठंडा न हो जाए।[30] सोपानी का ठंडा होना जाली ताप चालकता के माध्यम से होता है और गर्म आयनिक उपतंत्र द्वारा इलेक्ट्रॉन-फोनन युग्मन के माध्यम से इलेक्ट्रॉनिक को गर्म करने के बाद इलेक्ट्रॉनिक ऊष्मा 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 बरकरार क्रिस्टल संरचना में गर्मी के हस्तांतरण की काफी अच्छी तरह से ज्ञात प्रक्रिया के समान नहीं माना जा सकता है।[31] अंत में, सोपानी का विश्राम चरण, जब दोष संभवतः पुनर्संयोजित और माइग्रेट होते हैं, सामग्री, इसके क्रिस्टलोग्राफिक दोष प्रवासन और पुनर्संयोजन गुणों और परिवेश के तापमान के आधार पर कुछ ps से अनंत समय तक रह सकते हैं।

प्रभाव

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चैनेलिंग (भौतिकी) स्थितियों के तहत एयू पर प्रभाव डालने वाले 30 केवी एक्सई आयन द्वारा उत्पादित हीट शूक शासन में संघट्ट सोपानी के समय विकास का छवि अनुक्रम। छवि संघट्ट सोपानी के शास्त्रीय आणविक गतिशीलता सिमुलेशन द्वारा बनाई गई है। छवि तीन आयामी सिमुलेशन सेल के बीच में दो परमाणु परतों के क्रॉस सेक्शन को दिखाती है। प्रत्येक क्षेत्र एक परमाणु की स्थिति को दर्शाता है, और रंग प्रत्येक परमाणु की गतिज ऊर्जा को दर्शाता है जैसा कि दाईं ओर के पैमाने द्वारा दर्शाया गया है। अंत में बिंदु दोष और अव्यवस्था पाश दोनों रह जाते हैं।

नुकसान उत्पादन

चूंकि सोपानी में गतिज ऊर्जा बहुत अधिक हो सकती है, यह थर्मोडायनामिक संतुलन के बाहर स्थानीय स्तर पर सामग्री को चला सकता है। आमतौर पर इसका परिणाम क्रिस्टलोग्राफिक दोष उत्पादन में होता है। दोष हो सकते हैं, उदाहरण के लिए, क्रिस्टलोग्राफिक दोष जैसे क्रिस्टलोग्राफिक दोष, आदेशित या अव्यवस्थित अव्यवस्था लूप, स्टैकिंग दोष,[32] या अनाकार क्षेत्र।[33] कई सामग्रियों के लंबे समय तक विकिरण से उनका पूर्ण अमोर्फाइजेशन हो सकता है, एक ऐसा प्रभाव जो सिलिकॉन चिप्स के आयन आरोपण डोपिंग के दौरान नियमित रूप से होता है।[34] दोषों का उत्पादन हानिकारक हो सकता है, जैसे कि परमाणु विखंडन और संलयन रिएक्टरों 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 आयनों को गति बढ़ाने के लिए अर्धचालक क्वांटम अच्छी संरचनाओं में पेश किया जाता है। एक लेजर का संचालन।[35] या कार्बन नैनोट्यूब को मजबूत करने के लिए।[36] संघट्ट सोपानी की एक दिलचस्प विशेषता यह है कि उत्पन्न होने वाली क्षति की अंतिम मात्रा गर्मी की वृद्धि से शुरू में प्रभावित होने वाले परमाणुओं की संख्या से बहुत कम हो सकती है। विशेष रूप से शुद्ध धातुओं में, हीट शूक चरण के बाद अंतिम नुकसान का उत्पादन शूक में विस्थापित परमाणुओं की संख्या से कम परिमाण का आदेश हो सकता है।[1]दूसरी ओर, अर्धचालक और अन्य सहसंयोजक बंधित सामग्रियों में क्षति उत्पादन आमतौर पर विस्थापित परमाणुओं की संख्या के समान होता है।[1][22]पुनर्संयोजित क्षति के अंश के संबंध में आयनिक सामग्री या तो धातु या अर्धचालक की तरह व्यवहार कर सकती है।[37]


अन्य परिणाम

एक सतह के आसपास के क्षेत्र में संघट्ट के झरने अक्सर रेखीय शूक और हीट शूक शासन दोनों में स्पटरिंग का कारण बनते हैं।[21]सतहों के पास हीट शूक्स भी अक्सर गड्ढा बनाने का कारण बनते हैं।[38][39] यह क्रेटरिंग परमाणुओं के तरल प्रवाह के कारण होता है,[40] लेकिन अगर प्रक्षेप्य का आकार लगभग 100,000 परमाणुओं से ऊपर है, तो गड्ढा उत्पादन तंत्र उसी तंत्र में बदल जाता है, जो गोलियों या क्षुद्रग्रहों द्वारा निर्मित मैक्रोस्कोपिक क्रेटर का होता है।[41] तथ्य यह है कि कई परमाणुओं को सोपानी द्वारा विस्थापित किया जाता है, इसका मतलब है कि आयनों को जानबूझकर सामग्रियों को मिश्रण करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, यहां तक ​​​​कि उन सामग्रियों के लिए भी जो सामान्य रूप से थर्मोडायनामिक रूप से अमिश्रणीय हैं। इस प्रभाव को आयन बीम मिश्रण के रूप में जाना जाता है।[42] विकिरण की गैर-संतुलन प्रकृति का उपयोग सामग्री को थर्मोडायनामिक संतुलन से बाहर निकालने के लिए भी किया जा सकता है, और इस प्रकार नए प्रकार के मिश्र धातु बनते हैं।[43]


यह भी देखें

संदर्भ

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बाहरी संबंध

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