En física de la materia condensada , un átomo primario de knock-on ( PKA ) es un átomo que es desplazado de su sitio de red por irradiación ; es, por definición, el primer átomo que una partícula incidente encuentra en el objetivo. Después de ser desplazado de su sitio inicial de la red, la PKA puede inducir desplazamientos posteriores de otros átomos en el sitio de la red si posee suficiente energía ( energía de desplazamiento umbral ), o puede descansar en la red en un sitio intersticial si no la posee (energía de desplazamiento umbral) . defecto ).
La mayoría de los átomos desplazados resultantes de la irradiación de electrones y algunos otros tipos de irradiación son PKA, ya que normalmente están por debajo del umbral de energía de desplazamiento y, por lo tanto, no tienen energía suficiente para desplazar más átomos. En otros casos, como la irradiación de neutrones rápidos , la mayoría de los desplazamientos se deben a que las PKA de mayor energía chocan con otros átomos a medida que se desaceleran hasta quedar en reposo . [1]
Los átomos sólo pueden ser desplazados si, al ser bombardeados, la energía que reciben supera un umbral de energía E d . Del mismo modo, cuando un átomo en movimiento choca con un átomo estacionario, ambos átomos tendrán una energía mayor que E d después de la colisión sólo si el átomo en movimiento original tenía una energía superior a 2 E d . Por tanto, sólo las PKA con una energía superior a 2 E d pueden continuar desplazando más átomos y aumentar el número total de átomos desplazados. [1] En los casos en los que la PKA tiene suficiente energía para desplazar más átomos, la misma verdad se aplica a cualquier átomo desplazado posteriormente.
En cualquier escenario, la mayoría de los átomos desplazados abandonan sus sitios de red con energías no superiores a dos o tres veces E d . Un átomo así chocará con otro átomo aproximadamente cada distancia interatómica media recorrida, perdiendo la mitad de su energía durante la colisión media. Suponiendo que un átomo que ha disminuido su velocidad hasta una energía cinética de 1 eV queda atrapado en un sitio intersticial, los átomos desplazados normalmente quedarán atrapados a no más de unas pocas distancias interatómicas de las vacantes que dejan atrás. [1]
Hay varios escenarios posibles para la energía de las PKA, y estos conducen a diferentes formas de daño. En el caso de un bombardeo con electrones o rayos gamma , la PKA normalmente no tiene suficiente energía para desplazar más átomos. El daño resultante consiste en una distribución aleatoria de defectos de Frenkel , normalmente con una distancia no superior a cuatro o cinco distancias interatómicas entre el intersticial y el vacante. Cuando las PKA reciben energía mayor que E d al bombardear electrones, pueden desplazar más átomos y algunos de los defectos de Frenkel se convierten en grupos de átomos intersticiales con las vacantes correspondientes, dentro de unas pocas distancias interatómicas entre sí. En el caso del bombardeo por átomos o iones que se mueven rápidamente, se producen grupos de vacantes y átomos intersticiales ampliamente separados a lo largo de la trayectoria del átomo o ion. A medida que el átomo se ralentiza, aumenta la sección transversal para producir PKA, lo que da como resultado grupos de vacantes e intersticiales concentrados al final de la pista. [1]
Un pico térmico es una región en la que una partícula en movimiento calienta el material que rodea su trayectoria a través del sólido durante tiempos del orden de 10 −12 s. En su camino, una PKA puede producir efectos similares a los del calentamiento y enfriamiento rápido de un metal, lo que resulta en defectos de Frenkel. Un pico térmico no dura lo suficiente como para permitir el recocido de los defectos de Frenkel. [1] [2]
Se propuso un modelo diferente llamado pico de desplazamiento para el bombardeo rápido de elementos pesados con neutrones. Con las PKA de alta energía, la región afectada se calienta a temperaturas superiores al punto de fusión del material y, en lugar de considerar colisiones individuales, se podría considerar que todo el volumen afectado se "derrite" durante un corto período de tiempo. Las palabras "fundir" y "líquido" se utilizan aquí de manera vaga porque no está claro si el material a temperaturas y presiones tan altas sería un líquido o un gas denso. Al derretirse, los antiguos intersticiales y vacantes se convierten en "fluctuaciones de densidad", ya que los puntos de la red circundantes ya no existen en el líquido. En el caso de un pico térmico, la temperatura no es lo suficientemente alta como para mantener el estado líquido el tiempo suficiente para que se relajen las fluctuaciones de densidad y se produzca el intercambio interatómico. Un rápido efecto de "extinción" da como resultado pares vacantes-intersticiales que persisten durante la fusión y la resolidificación. Hacia el final del recorrido de una PKA, la tasa de pérdida de energía se vuelve lo suficientemente alta como para calentar el material muy por encima de su punto de fusión. Mientras el material se funde, el intercambio atómico se produce como resultado del movimiento aleatorio de los átomos iniciado por la relajación de las tensiones locales debidas a las fluctuaciones de densidad. Esto libera energía almacenada de estas cepas que eleva la temperatura aún más, manteniendo el estado líquido brevemente después de que desaparecen la mayoría de las fluctuaciones de densidad. Durante este tiempo, los movimientos turbulentos continúan de modo que, tras la resolidificación, la mayoría de los átomos ocuparán nuevos sitios de la red. Estas regiones se denominan picos de desplazamiento y, a diferencia de los picos térmicos, no retienen los defectos de Frenkel. [1] [2]
Según estas teorías, debería haber dos regiones diferentes, cada una con una forma diferente de daño, a lo largo del camino de una PKA. Debería producirse un pico térmico en la primera parte del camino, y esta región de alta energía conserva pares intersticiales-vacantes. Debería haber un pico de desplazamiento hacia el final del camino, una región de baja energía donde los átomos se han movido a nuevos sitios de la red pero no se retienen pares vacantes-intersticiales. [2]
La estructura del daño en cascada depende en gran medida de la energía de la PKA, por lo que el espectro de energía de la PKA debe usarse como base para evaluar los cambios microestructurales bajo el daño en cascada. En láminas de oro delgadas, a dosis de bombardeo más bajas, las interacciones de las cascadas son insignificantes, y tanto los grupos de vacantes visibles como las regiones ricas en vacantes invisibles se forman mediante secuencias de colisiones en cascada. Se descubrió que la interacción de cascadas en dosis más altas produce nuevos grupos cerca de grupos existentes de grupos de vacantes, aparentemente convirtiendo regiones invisibles ricas en vacantes en grupos de vacantes visibles. Estos procesos dependen de la energía PKA y, a partir de tres espectros de PKA obtenidos a partir de neutrones de fisión, autoiones de 21 MeV y neutrones de fusión, se estimó que la energía PKA mínima necesaria para producir nuevos cúmulos visibles mediante interacción era 165 keV. [3]