Atomistic-Object Kinetic Monte Carlo simulations of irradiation damage in tungsten
我们描述了一个新的对象动力学蒙特卡罗代码的基本缺陷对象的非晶格原子配置的发展。原子级转换用于转换和平移对象，分割对象以及将它们合并在一起。这逐渐构建了一个原子配置的数据库--一组相关的缺陷对象和它们在运行中生成的可能事件。弹性相互作用处理对象内的经验潜力在短距离内，空间不同的对象之间使用偶极张量形式主义。该模型被证明是发展移动间隙簇钨速度比一个等效的分子动力学模拟，即使在高温下。我们将该模型应用于钨中初级辐射损伤的分子动力学模拟产生的复杂缺陷的演化。我们表明，我们可以进化的缺陷结构中形成的级联模拟实验观察到的时间尺度秒，同时保留原子的细节。我们的结论是，级联启动后的前几纳秒的模拟将更好地使用分子动力学，因为这将捕获一些小的高度流动的间隙集群的近温度独立的演变。我们还得出结论，对于20 keV PKA级联退火模拟考虑在这里，内部松弛的无柄对象难以捕获使用传统的对象KMC与理想化的对象几何形状建立的条件，为长时间尺度的演变。
2019-04-08 cond-mat.mtrl-sci
Parameter-free quantitative simulation of high dose microstructure and hydrogen retention in ion-irradiated tungsten
氢同位素被保留在用于聚变发电应用的材料中，随着微结构经受辐照损伤，改变氢脆和氚库存。但是，高度损坏的材料的建模-暴露于超过0.1位移每原子（dpa）-其中观察到渐近饱和，例如钨面临的等离子体在聚变托卡马克反应堆，是困难的，因为一个高度损坏的微观结构不能被视为弱相互作用孤立的缺陷陷阱。在本文中，我们开发的计算技术，找到在高度辐照材料的缺陷含量，而无需可调参数。首先，我们展示了如何产生收敛的高剂量（>1 dpa）的微结构使用的组合的创建-松弛算法和碰撞级联的分子动力学模拟。然后，我们做了强大的点缺陷和空洞区域的简单发展的Wigner-Seitz分解的晶格网站的估计。我们使用我们的估计的空隙表面积来预测钨的氘保留容量作为剂量的函数。然后将其与在290 K下自辐照至不同损伤剂量并在370 K下暴露于低能量氘等离子体的钨样品的3 He核反应分析（NRA）测量进行比较。我们表明，我们的模拟微观结构给出了一个很好的匹配实验数据，与模型和实验显示1.5-2.0原子%，在高剂量极限下，氘仍保留在钨中。
2021-06-24 cond-mat.mtrl-sci
Non-destructive study of collision cascade damage in self-ion irradiated tungsten using HR-EBSD and ECCI
了解辐射下缺陷的产生和演变是一个长期存在的多尺度问题。传统上，辐照诱导缺陷（IID）的实验检查主要依赖于透射电子显微镜（TEM），它提供了高的空间分辨率，但需要破坏性的样品制备。此外，有限的视场和低应变灵敏度使得多尺度表征和定量应变测量变得困难。在这里，我们探讨了使用先进的扫描电子显微镜（SEM）技术的潜力，非破坏性探针辐照损伤在散装材料的表面。电子沟道衬度成像（ECCI）是用来成像纳米级的辐照引起的缺陷在20 MeV的自离子辐照钨，聚变反应堆装甲的主要候选材料。结果表明，从均匀和随机分布的纳米级缺陷在0.01 dpa（每原子位移）的损伤微观结构的演变，以字符串结构延伸超过数百纳米在1 dpa。基于互相关的高分辨率EBSD（HR-EBSD）是用来探测晶格应变场与IID。虽然在0.01 dpa下几乎没有应变波动，但在0.1 dpa下观察到晶格应变的显着不均匀性，随着剂量的增加而增加，直到在0.32 dpa下饱和。应变起伏的特征长度尺度为~500 nm。总之，ECCI和HR-EBSD揭示了从缺陷无序的结构到由预先存在的缺陷和新的级联损伤之间的弹性相互作用驱动的具有长程序的结构的转变。这项研究表明，扫描电镜提供了一个有吸引力的工具，快速吞吐量，非破坏性，多尺度和多方面的辐射损伤表征。
2020-08-08 cond-mat.mtrl-sci
Elastic trapping of dislocation loops in cascades in ion-irradiated tungsten foils
用透射电子显微镜（TEM）原位观察了超高纯钨箔在极低注量的自离子辐照下形成的纳米级位错环。TEM图像的分析已经揭示了最大的环主要是棱柱1/2<111>型和空位特征。这种位错环的形成是令人惊讶的，因为孤立的环被预期是高度可移动的，并且应该从箔逃逸。在这项工作中，我们表明，所观察到的大小和数量密度的循环可以解释的事实，即循环是_不_孤立的-在级联中形成的紧密接近的循环相互作用，并与空位簇，也形成在级联中，通过远程弹性场，这防止了从箔环的逃逸。我们发现，实验观察很好地再现了对象的动态蒙特卡罗模拟的级联的演变_只有_如果考虑到之间的弹性相互作用的环路。我们的分析突出了缺陷之间的弹性相互作用对辐照材料的微观结构演变的深刻影响。
2014-02-04 cond-mat.mtrl-sci
Damage dose dependence of deuterium retention in high-temperature self-ion irradiated tungsten
Max Planck Institute for Plasma Physics（马克斯·普朗克等离子体物理研究所）；Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Institute for Applied Materials - Applied Materials Physics（卡尔斯鲁厄理工学院应用材料研究所）
研究高温度自离子辐照对钨中氘保留的影响，发现损伤剂量与氘浓度关系不同于以往研究，且存在纳米级空洞和不同捕获位点。
2026-04-14 cond-mat.mtrl-sci
Elastic Strain Associated with Irradiation-Induced Defects in Self-ion Irradiated Tungsten
弹性相互作用在控制辐照损伤演化中起着重要的作用，但在很大程度上还未被实验研究。利用透射电子显微镜（TEM）和高分辨率轴上透射菊池衍射（HR-TKD），我们关联的演化辐照诱导损伤结构和相关的晶格应变在自离子辐照纯钨。TEM揭示了不同的位错环结构作为样品厚度的函数，这表明自由表面限制了在较厚的样品中发现的扩展缺陷结构的形成。HR-TKD应变分析表明，形成晶体取向的长程应变波动高于0.01 dpa和总弹性能量的减少超过0.1 dpa。
2022-11-18 cond-mat.mtrl-sci
Parameter-free prediction of irradiation defect structures in tungsten at room temperature using stochastic cluster dynamics
University of California Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；University of California San Diego（加州大学圣地亚哥分校）
本文提出了一种无需参数的介观模型，用于预测钨在室温下的辐照缺陷结构，通过结合原子模拟与缺陷动力学，实现了与实验数据的高度一致。
2026-02-13 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic simulations of irradiation damage on the engineering timescale: Examining the dose rate effect in tungsten
本文提出一种无参数原子模拟方法，加速空位运动以预测钨在工程时间尺度下的辐照微观演化，发现升温或降剂量率降低稳态缺陷浓度，并再现纳米空洞形成。
2025-06-23 cond-mat.mtrl-sci
Object Kinetic Monte Carlo Simulations of Radiation Damage in Neutron-Irradiated Tungsten Part-I: Neutron Flux with a PKA Spectrum Corresponding to the High-flux Isotope Reactor
对象动力学蒙特卡罗模拟进行研究的影响，不同的剂量率和晶粒尺寸高达1.0 dpa的剂量在纯，多晶钨，受到中子辐照具有对应于高通量同位素反应堆的PKA谱。目前的研究模型缺陷簇积累钨，但不考虑的影响，嬗变或预先存在的缺陷超出晶界下沉，不同的晶粒尺寸。随着剂量率的增加，空位团密度增加，而空位数密度减小。相应地，平均空位簇尺寸和作为可见簇的一部分的空位的分数随着剂量率的增加而减小。随着晶粒尺寸的增大，空位和空位团的数量密度均减小，而可见团中空位的比例和空位团的平均尺寸均增大。这是由空位团簇的假成熟引起的，由于较大晶粒中的较长寿命的自填隙团簇。观察到的空位簇沿{110}面的空间有序的晶粒尺寸和所有的剂量率研究。晶面间距随晶粒尺寸的增加而增加，但没有观察到明显的剂量或剂量率依赖性。这项研究的结果表明，一维扩散的自填隙团簇，虽然必要的，是不足以形成一个空的晶格，空位的扩散也是必需的。提出了一种选择模拟盒维数的方法，以更真实地反映一维迁移自填隙原子簇的影响。
2016-03-25 cond-mat.mtrl-sci
Displacement cascades and defects annealing in tungsten, Part I: defect database from molecular dynamics simulations
分子动力学模拟已被用来产生一个全面的数据库的幸存缺陷，由于在散装钨位移级联。在300 K、1025 K和2050 K下完成了初级撞击原子（PKA）能量从100 eV（亚阈值能量）到100 keV（$\sim$ 780 $\times E_d$，其中$E_d$是平均位移阈值能量）的21个数据点。在这个范围内的PKA能量，两个制度的幂律能量依赖的缺陷生产进行观察。一个独特的幂律指数的特点是在每个政权内产生的弗伦克尔对的数量。这两个区域在跃迁能处相交，跃迁能大约为250 $\times E_d$。跃迁能量也标志着大的自填隙原子（SIAs）簇（尺寸14或更大）形成的开始。所观察到的缺陷聚集行为是不对称的，随着温度的升高，SIA聚集增加，而空位聚集减少。这种不对称性随着温度的增加，使得在2050 K（$\sim 0.5 T_m$）几乎没有大的空位团簇形成，同时大SIA团簇出现在所有的模拟。这种不对称性的长期缺陷生存和损伤积累的影响进行了讨论。此外，观察到罕见的$<$ 100 $>$ {110} SIA环。
2014-04-25 cond-mat.mtrl-sci
Collision Cascade Morphology and Defect Nucleation in Pure Tungsten and an Equimolar Refractory W-Ta-Cr-V Alloy
National Centre for Nuclear Research（国家核研究中心）
通过分子动力学模拟对比纯W与WTaCrV合金的碰撞级联，发现WTaCrV因更频繁的级联分裂及轻元素Cr、V的损伤容纳作用，辐照损伤抗性优于纯W。
2026-10-15 cond-mat.mtrl-sci
Cascades damage in α-iron with high damage energy
本文用数值方法研究了级联能量高达250 keV的α-Fe中的级联损伤，对应的中子能量超过14.1MeV。我们观察到Frenkel对产生效率和完整晶格损伤效率在统计不确定度范围内随级联能量的变化趋势接近，两种曲线均先呈幂律下降，在子级联的阈值能量处达到最小值，然后随级联能量的增加开始上升。分析表明，这些曲线的变化趋势反映了缺陷的集中程度，并取决于与缺陷散射一致的子级数目和反映缺陷集中程度的子级能量。对分析技术可以帮助我们理解完整晶格的总损伤。
2011-01-05 cond-mat.mtrl-sci
Molecular dynamics simulations of the defect evolution in tungsten on successive collision cascades
本研究使用EAM和机器学习势SNAP模拟钨中连续碰撞级联，发现SNAP势在肿胀和表面缺陷上更符合实验，但预测了大量小固着缺陷。
2024-08-26 cond-mat.mtrl-sci
High-dose long-time defect evolution in tungsten studied by atomistically informed Object Kinetic Monte Carlo simulations
该研究提出将完整 Molecular Dynamics 级联整合到 Object Kinetic Monte Carlo 中的新方法，在钨中实现了准确剂量率与原子级精度，发现完整级联显著影响缺陷浓度与团簇统计，并在不同温度下促进空位团簇或分裂空洞。
2024-09-24 cond-mat.mtrl-sci
Object Kinetic Monte Carlo Simulations of Radiation Damage in Bulk Tungsten Part-II: With a PKA Spectrum Corresponding to 14-MeV Neutrons
采用目标动力学蒙特卡罗方法研究了中子辐照下剂量率对多晶钨中空位微结构演化的影响。随后的演变为1.0位移每原子（dpa）与点缺陷产生根据一个主要的撞击原子（PKA）光谱对应于14 MeV的中子。本研究包括晶粒尺寸（2.0和4.0 $μ$ m）的影响，但不包括超越晶界汇的变形或预先存在的缺陷的影响。随着剂量率的增加，空位团密度增加，而空位密度减小。因此，平均空位团簇尺寸和可见团簇中空位的比例随着剂量率的增加而减小。空位和空位簇的密度随着晶粒尺寸减小，使得簇的平均尺寸保持相似。然而，在剂量率< 4.5 x 10-7 dpa/s时，较大颗粒的平均尺寸较大。作为剂量，剂量率，和晶粒尺寸的函数的空位积累的趋势是类似的高通量同位素反应堆（HFIR）PKA光谱得到的。但是，空位的积累量和空位的微观结构却有很大的不同。与HFIR的情况相比，我们发现，即使剂量率高2.5倍，空位密度和平均空位团簇尺寸较低。此外，仅在最低的两个剂量率（4.5 x 10-8和4.5 x 10-9 dpa/s）下形成空晶格。相比之下，一个空洞的晶格形成在所有的剂量率研究使用HFIR PKA光谱。我们详细讨论了导致这些不同的微观结构的因素。
2016-06-04 cond-mat.mtrl-sci
Thermal diffusivity recovery and defect annealing kinetics of self-ion implanted tungsten probed by insitu Transient Grating Spectroscopy
钨是未来聚变反应堆中面向等离子体的装甲部件的有前途的候选材料。一个关键的问题是其通常优异的热传输性能的辐射诱导的退化。在这项全面的研究中，热扩散率退化离子注入钨和它的演变从室温（RT）到1073 K被认为是。五个样品在室温下暴露于20 MeV的自离子，以实现从3.2 × 10-4到3.2位移/原子（dpa）的损伤水平。瞬态光栅光谱与原位加热，然后用于研究作为温度的函数的热扩散率演变。使用动力学理论模型，从测得的热扩散率的等效点缺陷密度估计。结果表明，在450 K和650 K之间的热扩散率的显着恢复，这与单空位迁移率的开始相一致。在1073 K退火后，初始损伤为3.2 × 10-3 dpa或更小的样品恢复接近原始值的热扩散率。另一方面，对于3.2 × 10-2 dpa或更高的剂量，即使在1073 K退火后，热扩散率的残余降低仍然存在。透射电子显微镜显示，这是与延长，辐射诱导的位错结构，退火后保留。灵敏度分析表明，热扩散率提供了一个有效的工具，用于评估总的缺陷含量在钨高达1000 K。
2021-11-15 cond-mat.mtrl-sci
Grain Boundary Defect Production during Successive Displacement Cascades on a Tungsten Surface
Stony Brook University（石溪大学）；University of California Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）
研究钨在连续位移级联下晶界缺陷产生，用分子动力学模拟含Σ3和Σ5对称倾斜晶界的纳米双晶钨表面情况，发现自由表面、级联重叠及晶界特性影响缺陷积累，揭示晶界结构和晶粒尺寸对控制钨辐射损伤演化的关键作用。
2026-07-17 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Modified deformation behaviour of self-ion irradiated tungsten: A combined nano-indentation, HR-EBSD and crystal plasticity study
预测辐照损伤引起的材料性质的急剧变化是未来核裂变和聚变反应堆设计的关键。自离子注入是一种模拟中子辐照效应的有吸引力的工具。然而，注入样品的损伤层只有几微米厚，使得难以估计宏观性能。在这里，我们使用实验和建模技术相结合来解决这一挑战。我们专注于自离子注入钨，融合装甲组件和原型bcc材料的领跑者。为了捕获剂量依赖性的性质的演变，我们实验性地将样品的损伤水平从0.01 dpa到1 dpa。颗粒的球形纳米压痕<001>显示硬度增加到0.032 dpa的剂量，超过该剂量它饱和。AFM测量显示堆积增加到相同的剂量，超过该剂量，可以看到大的堆积和滑动台阶。基于观察，我们开发了一个晶体塑性（CPFE）模型的辐照材料。它捕获辐照诱导硬化，然后通过辐照缺陷和滑移位错的相互作用的应变软化。辐照缺陷的剪切阻力来自于类似辐照样品的TEM观察。模拟了剂量为0.01，0.1，0.32和1dpa的原始钨和注入钨的纳米压痕。将两个模型参数与0.01 dpa样品的实验结果拟合，并对所有其他剂量保持不变。CPFE模型预测的峰值载荷、裂纹表面轮廓和损伤饱和度与实验观测结果非常吻合。预测的晶格畸变和位错分布在压痕周围同意从HR-EBSD相应的测量。最后，利用CPFE模型预测了类似辐照下钨块体材料的宏观应力-应变响应。
2020-07-01 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Molecular Dynamics Simulation of Nanoporous Tungsten
该研究通过分子动力学模拟纳米多孔钨在聚变相关压缩条件下的响应，发现低相对密度双连续结构凭借较低缺陷密度和缺陷孪晶具有更优的力学与热力学稳定性。
2023-12-08 cond-mat.mtrl-sci
Incorporating non-adiabatic effects in Embedded Atom potentials for radiation damage cascade simulations
在辐射损伤级联位移尖峰中，离子和电子可以达到非常高的温度并且脱离热平衡。级联的正确建模与分子动力学应允许非绝热的离子和电子之间的能量交换使用一致的模型的电子停止，电子温度上升，和热传导的电子。我们提出了一个方案，用于纠正嵌入的原子势，这些非绝热性能的水平上的二阶矩近似，和bcc过渡金属的德拜温度以上的参数。我们在这里使用Finnis-Sinclair势和Derlet-Nguyen-Manh-Dudarev势作为成键模型，但从它们导出的修正可以应用于任何合适的经验势。
2015-03-03 cond-mat.mtrl-sci
Molecular dynamics simulations of neutron induced collision cascades in Zr - statistical modelling of irradiation damage and potential applications
本文通过大规模分子动力学模拟研究锆中中子诱发碰撞级联，开发了分层随机生成式模型，用于生成初级辐照缺陷的代表性分布，为更高尺度模型提供合成输入和快速近似。
2024-05-06 cond-mat.mtrl-sci
Primary damage production in the presence of extended defects and growth of vacancy-type dislocation loops in hcp zirconium
长期预测辐射损伤累积模型中的生产率通常被认为与反应堆部件的材料微观结构无关。在这项研究中，预先存在的微观结构元素的影响，在α-锆-反之亦然-的主要损害生产评估的分子动力学（MD）模拟。考虑了a型位错环、c组分位错环和倾斜晶界（GB）。在所有这些微观结构元素的存在下，初级损伤的产生减少，并且聚集行为取决于微观结构。碰撞级联不会导致a型环的增长或收缩，但会导致c成分环的收缩。在GBs存在下的级联产生的空位比空位多。这一结果，以及其他理论，分子动力学和实验证据，证实了空位环将在空位过饱和环境中生长的GB附近。不同的温度依赖性的生长制度被确定。此外，MD揭示了级联诱导的事件，其中a型空位环被GB吸收。铁偏析的循环抑制这种级联诱导的吸收。
2019-03-27 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic simulations of athermal irradiation creep and swelling of copper and tungsten in the high dose limit
本文通过原子模拟研究铜和钨在高低能辐照下的无热蠕变与肿胀，发现两者呈现相似的各向异性变形，并开发了一种快十倍的高剂量微观结构建模算法。
2024-09-20 cond-mat.mtrl-sci
Relaxation volumes of microscopic and mesoscopic irradiation-induced defects in tungsten
辐射引起的缺陷的低能量结构已被详细研究，因为这些决定了缺陷可以扩散或松弛的可用模式。因此，有许多关于可能的缺陷结构的相对能量的研究，并且经验势通常被拟合到这些能量或相对于这些能量进行评估。但最近[Dudarev et al Nuclear Fusion 2018]，我们已经展示了如何根据辐射诱导缺陷集合的弹性特性来确定辐射下反应堆组件的应力、应变和膨胀。这些弹性性能受到的关注相对较少。在这里，我们评估松弛体积的辐照引起的缺陷在钨计算与经验电位，并比较密度泛函理论的结果可用。不同的经验势给出不同的结果，但可以确定弛豫体积的一些势独立的趋势。我们发现，小缺陷的弛豫体积可以预测到10%以内，从他们的点缺陷计数。对于较大的缺陷，我们提供经验适合作为尺寸的函数的弛豫体积。我们表明，与一个单一的初级损伤级联的弛豫体积可以估计从初级撞击原子（PKA）的能量。我们的结论是，虽然湮灭的空位和填隙性质的缺陷将不可避免地减少总的弛豫体积的级联碎片，经验电位不同意是否合并的缺陷将减少或增加总的弛豫体积。
2018-12-17 cond-mat.mtrl-sci
The nature of high-energy radiation damage in iron: Modeling results
要了解和预测材料对高能辐射损害的反应性能，以及设计未来在强辐射环境中使用的材料，就需要了解辐射引起的结构变化的结构、形态和数量。我们报告的结果分子动力学模拟的高能辐射损伤的铁在0.2-0.5 MeV的范围。我们分析和量化的碰撞级联的性质在全球和地方尺度。我们发现，高能量碰撞级联的结构变得越来越连续，而不是显示子级联分支先前报道。在局域长度尺度上，我们发现了大的缺陷团簇和新颖的小空位和间隙团簇。这些特征构成了物理模型的基础，旨在了解结构材料中高能辐射损伤的影响。
2012-11-26 cond-mat.mtrl-sci
Helium-Implantation-Induced Lattice Strains and Defects in Tungsten probed by X-ray Micro-diffraction
钨是未来聚变反应堆中面向等离子体的装甲部件的主要候选材料。高能聚变中子的轰击导致碰撞级联损伤和缺陷形成。由嬗变产生并从等离子体注入的氦与缺陷的相互作用，改变了缺陷的保留和行为。本文研究了不同剂量氦离子注入钨及钨合金后的残余晶格应变。能量和深度分辨的同步辐射X射线微衍射独特地允许以亚微米3D空间分辨率和~10-4应变灵敏度测量晶格应变。氦剂量从300 appm增加到3000 appm，体积应变仅增加~2.4倍，表明在低氦剂量下，每个注入的氦原子的缺陷保留率高~3倍。这表明，缺陷保留不是注入氦剂量的简单函数，而是强烈依赖于材料成分和杂质的存在。相反，W-1wt%Re合金样品和不同的晶体取向的分析表明，无论是存在的缺陷和晶体取向，有相对较小的影响，对缺陷保留。这些见解是未来反应堆中装甲部件设计的关键，在预测部件寿命和性能时，必须考虑辐照引起的尺寸变化。
2018-12-27 cond-mat.mtrl-sci
Molecular dynamics simulation of threshold displacement energy and primary damage state in Niobium
基于EAM方法，建立了Nb的多体势模型，并利用该模型对Nb的大部分点缺陷进行了模拟。利用所构造的势函数，通过分子动力学模拟计算了Nb在20 keV以下的方向特异性阈值位移能（TDE）和位移级联. TDE的计算结果与前人对V、Mo的工作和实验测量结果符合得很好。TDE最小值出现在<100>方向上，TDE的局部最小值出现在三个低指数方向上，其关系为：Ed[100]<Ed[111]<Ed[110]。系统地研究了不同PKA能量下位移级联的演化、产生的点缺陷数、级联效率、点缺陷的聚集以及这些参数对温度的影响。结果表明，叶栅效率较低，可用幂函数拟合。在这项工作中获得的集群点缺陷的分数是低的，只有一些小的集群形成在热尖峰结束。随着温度的升高，点缺陷的产生量和级联效率都有所降低，但点缺陷的聚集率降低得更明显。
2017-02-23 cond-mat.mtrl-sci
MMonCa: An Object Kinetic Monte Carlo simulator for damage irradiation evolution and defect diffusion
在这项工作中，我们介绍了对象动力学蒙特卡罗（OKMC）模拟器MMonCa和模拟三种不同的材料中的缺陷演化。我们首先解释OKMC的理论，并展示如何通过在我们想要模拟的对象中创建通用结构和算法来实现这种理论的一些细节。然后，我们成功地再现模拟结果的缺陷演变的铁，硅和钨使用我们的模拟器，并与现有的实验数据和类似的模拟比较。比较验证MMonCa显示它是强大的和灵活的，足以被定制和用于研究在广泛的固体材料中的缺陷的损伤演化。
2015-03-13 cond-mat.mtrl-sci
Identifying Subcascades From The Primary Damage State Of Collision Cascades
针对现有碰撞级联子级联计数方法依赖难获取的峰值损伤状态的问题，提出用无监督密度聚类从初级损伤状态识别子级联，经钨中100个级联验证与现有方法吻合良好，还可用于级联分类。
2023-06-08 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Nanoscale lattice strains in self-ion implanted tungsten
发展一个全面的理解，通过中子辐照的材料性能的修改是重要的未来裂变和聚变动力反应堆的设计。自离子注入常用于模拟中子辐照损伤，然而一个有趣的问题是离子能量对所产生的损伤结构的影响。随着注入能量的降低，注入层厚度的减小导致了一个重大的困境：是否试图匹配中子辐照或注入过程中产生的初级撞击原子能量，从而产生更厚的损伤层？在这里，我们解决这个问题，通过测量两个离子注入能量，2兆电子伏和20兆电子伏的自离子注入钨，聚变反应堆的第一壁和偏滤器的关键材料的全应变张量。2 MeV和20 MeV注入样品的比较显示，导致类似的晶格膨胀。多反射布拉格相干衍射成像（MBCDI）表明，注入引起的应变实际上是在纳米级的异质性，这表明有一个不均匀分布的缺陷，观察是不完全捕获的微束劳厄衍射。在表面处，MBCDI和高分辨率电子背散射衍射（HR-EBSD）应变测量在应变分布的这种聚类/非均匀性方面相当一致。然而，MBCDI显示，在更深的样品中的非均质性是远远大于在表面。这种技术的组合提供了一个强大的方法，详细调查的微观结构的损伤所造成的离子轰击，更一般的应变相关的现象，通过任何其他技术无法访问的微体积。
2020-06-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Radiation Damage Cascades in Fullerite Using Molecular Dynamics
Curtin University（科廷大学）
该研究用分子动力学研究富勒烯中辐射级联，对PKA能量0.1到1 keV模拟，通过特定势描述能量力，跟踪相关量随时间变化表征级联行为，发现富勒烯特殊辐射响应及交联分子数与新sp3原子数的线性关系，算出阈值位移能量与实验相符。
2026-07-09 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Direct observation of size scaling and elastic interaction between nano-scale defects in collision cascades
利用原位透射电子显微镜，直接观察了30K下低剂量高能自离子辐照超高纯钨所形成的纳米级缺陷。在低温下，晶格缺陷的迁移率降低，因此这些显微镜观察提供了一个窗口的初始，主要损害所造成的个别碰撞级联事件。电子显微镜图像提供了在高能级联中形成的纳米级缺陷的幂律尺寸分布的直接证据，其中尺寸上限与入射离子能量无关，如Sand等人[Eur.物理快报，103：46003，（2013）]。此外，在显微照片中观察到的缺陷对分布函数的分析显示显着的级联内的空间相关性与强的弹性相互作用的缺陷。
2015-03-10 cond-mat.mtrl-sci
Electronic effects in radiation-induced collision cascades in nickel
本研究探讨了一种无参数双温分子动力学模型在镍中辐射诱导碰撞级联模拟中的应用，该模型通过电子密度依赖耦合准确捕捉各阶段能量损失，与实验结果一致，显著提升了辐射损伤预测的可靠性。
2024-01-09 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic understanding of hydrogen bubble-induced embrittlement in tungsten enabled by machine learning molecular dynamics
University of Science and Technology Beijing（北京科技大学）；Fuzhou University（福州大学）；Beijing Advanced Innovation Center for Materials Genome Engineering, University of Science and Technology Beijing（北京科技大学材料基因组工程高等创新中心）；Aalto University（阿尔托大学）；Tel Aviv University（特拉维夫大学）
本研究利用机器学习分子动力学揭示了钨中氢气泡诱导脆性行为的原子机制，通过开发高精度势能模型，阐明了氢气泡在纳米空洞中的形成与断裂过程。
2025-08-28 cond-mat.mtrl-sci
Simulation and modeling of the electronic structure of GaAs damage clusters
本研究通过分子动力学与密度泛函理论模拟研究GaAs辐射损伤团簇的电子特性，发现其可用半导体球带电模型描述，高损伤下带隙闭合形成金属，费米能级比价带顶高0.46±0.07 eV。
2012-12-22 cond-mat.mtrl-sci
Mechanisms of Microstructural Evolution and Degradation in Aluminum under High-Damage Irradiation
University of Florida（佛罗里达大学）
研究铝合金在高损伤辐照下微观结构演化与降解机制，结合传统模拟与IKA方法，确定三个阶段，揭示缺陷转变及协同效应增加辐照硬化，为铝反应堆材料辐照降解提供见解。
2026-07-27 cond-mat.mtrl-sci
Multi-scale simulations of electron and ion dynamics in self-irradiated silicon
高能离子与靶材料的电子和离子系统的相互作用是一个有趣但具有挑战性的多尺度问题，并且对重的初始带电离子撞击后的早期阶段的理解特别差。与此同时，在这些早期阶段的能量沉积决定了后来的损伤级联的形成。我们将实时含时密度泛函理论与损伤级联的分子动力学模拟相结合，解决了多尺度特性。我们的第一性原理模拟证明，核心电子影响电子停止，并有一个意想不到的影响的电荷状态的弹丸。我们表明，这种效果是不存在的轻射弹，但占主导地位的重射弹停止物理。通过参数化的非弹性能量损失摩擦项的分子动力学模拟使用我们的第一性原理的结果，我们还显示了辐射损伤级联的电子停止物理的定性影响。
2020-07-21 cond-mat.mtrl-sci
Thermal diffusivity degradation and point defect density in self-ion implanted tungsten
使用瞬态光栅光谱（TGS），我们测量暴露于不同水平的20 MeV自离子辐照的钨的热扩散率。每原子位移（dpa）低至3.2 x 10^-4的损伤会导致热扩散率显著降低。0.1 dpa及以上的剂量，直至10 dpa，在室温下从原始值降解约55%。使用动力学理论模型，辐射引起的点缺陷的密度估计的基础上测得的变化，作为剂量的函数的热扩散率。这些预测进行了比较，在透射电子显微镜（TEM）中观察到的点缺陷和位错环密度。分子动力学（MD）的预测相结合的TEM观察，以估计与缺陷簇太小，TEM探测的点缺陷的密度。当这些“看不见的”缺陷占，总的点缺陷密度一致，以及从TGS的剂量范围跨越3个数量级的估计。动力学理论模型也被用来估计预期由于TEM可见和不可见的缺陷的热扩散率退化。精细分布的不可见的缺陷似乎发挥更重要的作用，在热扩散率降低比较大的TEM可见位错环。这项工作证明了TGS的能力，结合动力学理论模型，提供快速，定量的洞察缺陷密度和辐照材料的性能演变。
2020-02-04 cond-mat.mtrl-sci
Hardening and Strain Localisation in Helium-Ion-Implanted Tungsten
钨是未来聚变反应堆中面向等离子体的装甲部件的主要候选材料。在使用中，聚变中子辐照通过碰撞级联产生晶格缺陷。从等离子体注入的氦通过增加缺陷保留来消除损伤。两者都可以用氦离子注入来模拟。在最近对3000 appm氦注入钨（W-3000 He）的研究中，我们假设氦诱导的辐照硬化，然后在变形过程中软化。该假设是建立在观察到的硬度大幅增加，大量堆积和周围的纳米压痕和劳厄衍射测量的局部变形下的压痕形成滑步。在这里，我们测试这一假设，实现它在晶体塑性有限元（CPFE）制定，在W-3000 He在300 K的纳米压痕模拟。该模型认为热激活位错滑移通过氦缺陷障碍，其障碍强度是作为缺陷浓度和形态的函数。只有一个拟合参数用于模拟氦注入钨：缺陷去除率。模拟捕捉本地化的大堆积非常好，并预测有限的领域的晶格畸变和几何必要的位错下的凹痕同意定量与以前的劳厄测量。应变局部化通过高分辨率电子背散射衍射和透射电子显微镜测量从W-3000 He中的纳米压痕中心的横截面抬出进一步确认。
2019-11-23 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph
Benchmarking and advancing machine-learning interatomic potentials for 3C-SiC across equilibrium and extreme conditions
Aalto University（阿尔托大学）；Queen's University（女王大学）
针对3C-SiC经验势的不足，提出基于两体和turboSOAP描述符的机器学习势TGAP，涵盖多相及21种缺陷，准确预测熔点、液相结构及碰撞级联，用于辐射损伤模拟。
2026-11-04 cond-mat.mtrl-sci
A Robust Machine Learned Interatomic Potential for Nb: Collision Cascade Simulations with accurate Defect Configurations
本文针对传统铌原子间势无法准确预测自间隙原子构型的问题，基于SNAP框架和DFT数据开发了机器学习原子间势，并通过碰撞级联等验证证明其能准确复现铌的基态缺陷构型，为辐照损伤模拟提供了稳健工具。
2025-02-05 cond-mat.mtrl-sci
Energy spectra of primary knock-on atoms under neutron irradiation
受到中子辐照的材料将遭受由核反应引发的位移级联引起的损伤的累积。以前，这种损伤累积的主要“测量”是通过每原子位移（dpa）指数。有已知的限制与dpa量及其应用领域，因此本文描述了一个更严格的方法来计算初级原子反冲事件（通常称为初级撞击原子或PKA），导致级联损伤事件的能量和反冲物种的函数的任何模拟或测量的中子辐照方案。通过融合相关材料的例子，它表明，PKA光谱可以是复杂的，涉及许多不同的反冲物种，潜在的质子和中子数从原来的目标核，包括高能量反冲的光发射粒子，如α粒子和质子。探讨了PKA谱随时间、中子场和材料的变化。示例PKA光谱应用于辐射损伤量化使用的二进制碰撞近似和随机集群动力学，从这些不同的方法的结果进行了讨论和比较。
2015-06-29 cond-mat.mtrl-sci
Effects of Galactic Irradiation on Thermal and Electronic Transport in Tungsten
本研究利用SPTC和N2方法分析低能辐照下钨中空位缺陷对热和电子输运的纳米尺度影响，揭示缺陷依赖的输运行为，为太空材料应用提供高分辨率见解。
2025-02-26 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Effects of applied strain on radiation damage generation in body-centered cubic iron
体心立方（BCC）铁的辐射损伤已被广泛研究的计算机模拟量化的影响，温度，撞击粒子的能量，和外来粒子的存在。然而，有限的调查已经进行了机械应力和应变的影响。在反应堆的环境中，结构材料往往是机械应变，并扩大了解这种应变如何影响缺陷的产生可能是重要的预测在这种条件下的微观结构演变和损伤积累。在这项研究中，我们进行了分子动力学模拟，其中各种类型的均匀应变施加到BCC Fe和缺陷产生的影响进行了检查。据发现，体积守恒的剪切应变产生的缺陷通过在BCC铁级联的稳定数量没有统计上显着的变化。然而，发现导致体积变化的应变对缺陷产生显著影响。
2014-12-29 cond-mat.mtrl-sci
Effects of training machine-learning potentials for radiation damage simulations using different pseudopotentials
研究了在镍中使用不同赝势计算的DFT数据训练ML势对辐射损伤模拟的影响，发现更硬的赝势影响短程相互作用，导致累积损伤预测存在显著差异，但平均位移阈值能量相似。
2025-09-15 cond-mat.mtrl-sci
Impact of Electronic Energy Dissipation on Primary Radiation Damage Formation in Silicon
Aalto University（阿尔托大学）
研究利用分子动力学模拟，通过双温模型探索离子 - 电子耦合在硅辐射损伤模拟中的作用，比较不同耦合函数与原子间势，发现耦合函数形式对缺陷产生等有关键作用，且耦合影响取决于原子间势，强调物理描述对准确预测辐射损伤的重要性。
2026-07-14 cond-mat.mtrl-sci
Temperature effects on the point defects formation in [111] W by neutron induced collision cascade
钨在ITER中被用作面向等离子体的壁，在那里它受到极端的操作条件。在这项工作中，我们研究了在300-900 K温度范围内中子轰击[111]晶体W的损伤形成，这对于设计下一代聚变反应堆是重要的。分子动力学（MD）模拟在高斯近似势（GAP）框架内在1 keV的初级撞击原子（PKA）能量下进行。诱导损伤的分析是由缺陷的指纹和可视化分析仪（FaVAD），这是基于一个旋转不变映射的本地原子邻域允许提取，识别和可视化的原子缺陷的形成过程中和之后的碰撞级联动态。该评估允许对各种缺陷类型进行分类，并将缺陷演变量化为时间和初始样品温度的函数。我们发现，由于热激活机制，弗伦克尔对的生产作为温度的函数增加。
2023-02-17 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Efficient atomistic simulations of radiation damage in W and W-Mo using machine-learning potentials
本文验证了表格化GAP（tabGAP）机器学习势在模拟W和W-Mo合金初级辐射损伤中的效率与准确性，发现其比GAP快两个数量级且结果相当，并揭示了W-Mo合金具有更高效的缺陷重组行为。
2023-06-01 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Transmission Kikuchi diffraction mapping induces structural damage in atom probe specimens
本研究发现透射菊池衍射（TKD）映射会引发原子探针（APT）样品的结构损伤，导致溶质成分分布出现伪影，其机制是高能电子反冲使表面物质注入样品引发损伤级联。
2023-01-23 cond-mat.mtrl-sci
Local chemical order suppresses grain boundary migration under irradiation in CrCoNi
University of California, Irvine（加州大学尔湾分校）；Hopkins Extreme Materials Institute, Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学霍普金斯极端材料研究所）；Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）
研究探讨了CrCoNi中局部化学有序对辐照下晶界迁移和稳定性的影响，发现有序合金晶界在化学有序被破坏前保持稳定，而无序合金晶界在少量碰撞级联后开始迁移。
2026-03-18 cond-mat.mtrl-sci
Radiation damage and phase stability of Al$_x$CrCuFeNi$_y$ alloys using a machine-learned interatomic potential
University of Helsinki（赫尔辛基大学）
本研究利用机器学习互原子势分析Al$_x$CrCuFeNi$_y$合金的辐射损伤与相稳定性，发现等原子组成下FCC向BCC转变，并揭示不同合金成分在辐照下的缺陷浓度差异及短程有序现象。
2025-08-27 cond-mat.mtrl-sci
Amorphous intergranular films act as ultra-efficient point defect sinks during collision cascades
采用原子模拟方法研究了界面结构对残余辐射损伤的影响。具体而言，有序的晶界相比，无序的非晶间膜，研究界面厚度和自由体积如何影响点缺陷复合。模拟了由中子轰击引起的碰撞级联，分析了剩余点缺陷布居随边界类型和初始撞击原子能量的变化。虽然有序的晶界容易吸收杂质，但这些界面是无效的空位汇。或者，非晶晶间膜作为超高效，无偏缺陷汇，提供了一个路径的辐射耐受材料的创建。
2015-07-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Electronic effects on the radiation damage in high-entropy alloys
高熵合金（HEAs）由于其复杂的局部化学环境和缓慢的缺陷迁移而成为抗辐射材料的特殊候选者。尽管通常被忽视，电子效应在辐射环境中的缺陷演变也发挥了至关重要的作用，通过耗散多余的能量，通过电子-声子耦合和电子热传导级联事件。我们提出了一个系统的研究在随机固溶体（RSS）中的四个和五个主要元素HEAs的电子性质和它们的缺陷形成，集群和重组的影响。电子性质，包括电子-声子耦合因子，电子比热，和电子热导率，计算内的第一性原理计算。利用双温分子动力学模拟，我们发现电子-声子耦合因子和电子比热在Frenkel对的形成中起关键作用。具体地，电子-声子耦合因子在初级撞击原子事件期间经由等离子体激元激发快速耗散动能，并且随后经由自由电子传导耗散。我们表明，这些影响是更关键的比原子失配产生的弹性畸变效应。巨大的兴趣，我们表明，包括较轻的元素有助于增加电子-声子耦合因子，这表明有可能通过最佳组合物来提高HEA的耐辐射性。
2022-11-26 cond-mat.mtrl-sci
Primary damage and mechanical degradation of WTaCrV refractory high-entropy alloy: effects of solid-solution and chemical ordering
Fuzhou University（福州大学）；Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）
本研究通过原子模拟比较平均原子、随机固溶和局部化学有序构型，发现固溶和化学有序化虽增加缺陷数量，但能抑制辐照引起的力学退化，其机制源于晶格畸变和缺陷-孪晶相互作用。
2026-06-25 cond-mat.mtrl-sci
