Исследование генерации радиационных дефектов в металлах при облучении мощным ионным пучком

Объектом исследования является процесс генерации радиационных дефектов в металлах при облучении мощным ионным пучком.
Цель работы – моделирование и экспериментальное исследование генерации радиационных дефектов в металлах при облучении мощным ионным пучком. Разработка научных основ нового (имитационного) метода исследования радиационной стойкости конструкционных материалов, используемых в ядерном реакторе на быстрых нейтронах.

Введение………………………………………………………………………. 15
1 Обзор исследований по моделированию генерации радиационных
дефектов в металлах………………………………………………………………… 20
1.1 Радиационно-пучковое модифицирование материалов……………….. 20
1.2 Методы моделирования генерации радиационных дефектов……….. 21
1.2.1 Метод молекулярной динамики……………………………………… 24
1.2.1.1 Этапы моделирования……………………………………………… 28
1.2.1.2 Межатомные потенциалы взаимодействия………………………. 31
1.2.2 Кинетический метод Монте-Карло…………………………………… 33
2 Моделирование генерации радиационных дефектов в металлической
мишени при облучении мощным ионным пучком…………………………….. 36
2.1 Моделирование по NRT модели………………………………………. 36
2.2 Моделирование в программе SRIM……………………………………. 37
2.3 Моделирование в программе LAMMPS………………………………. 40
2.3.1 Исходный код.………………………………………………………… 41
2.3.2 Визуализация результатов моделирования ………………………………… 43
2.3.3 Результаты моделирования………………………………………………… 45
3 Экспериментальное исследование генерации радиационных дефектов
в металлической мишени при облучении мощным ионным пучком……… 49
3.1 Экспериментальный стенд……………………………………………………… 49
3.2 Исследование охлаждения мишени………………………………….. 50
3.3 Экспериментальное определение количества радиационных
дефектов………………………………………………………………………………………….. 53
3.3.1 Количество радиационных дефектов в мишени…………………… 53
3.3.2 Количество радиационных дефектов в каскаде смещений………… 56
3.4 Расчет среднего расстояния между каскадами смещений в мишени.. 58
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение………………………………………………………………………………. 60
4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований…………………………………………………………… 60
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования………… 61
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений…………………….. 62
4.1.3 Технология QuaD…………………………………………………… 63
4.1.4 SWOT-анализ………………………………………………………… 65
4.2 Планирование научно-исследовательских работ…………………… 67
4.2.1 Структура работ в рамках научного исследования…………………… 67
4.2.2 Определение трудоемкости выполнения работ…………………… 68
4.2.3 Разработка графика проведения научного исследования………… 68
4.2.4 Бюджет научно-технического исследования (НТИ)……………… 71
4.2.4.1 Расчет материальных затрат НТИ……………………………………. 72
4.2.4.2 Расчет затрат на специальное оборудование……………………….. 73
4.2.4.3 Основная заработная плата…………………………………………. 73
4.2.4.4 Дополнительная заработная плата исполнителей темы……… 75
4.2.4.5 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые
отчисления)…………………………………………………………………… 75
4.2.4.6 Накладные расходы……………………………………………………….. 76
4.2.4.7 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского
проекта………………………………………………………………………… 76
4.3 Определение ресурсосберегающей, финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования…………….. 77
5 Социальная ответственность………………………………………………….. 82
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения
безопасности…………………………………………………………………….. 82
5.2 Производственная безопасность……………………..…………………… 84
5.2.1 Анализ вредных и опасных факторов производственной среды… 85
5.2.2 Обоснование мероприятий по снижению уровней воздействия
вредных и опасных факторов на исследователя……………………………… 91
5.3 Экологическая безопасность…………………………………………….. 92
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях……………………………….. 93
Заключение…………………………………………………………………… 96
Список публикаций студента………………………………………………….. 98
Список использованных источников………………………………………….. 99
Приложение А Simulation of generation of radiation defects in a metal
target during the irradiation by a powerful ion beam………………………………… 107

Было произведено моделирование генерации радиационных дефектов
в металлах с помощью программ NRT, LAMMPS и SRIM для энергий
10-300 кэВ.
Таблица 30 – Количество дефектов, образующихся на один налетающий ион

Потери энергии Количество дефектов в каскаде
Материал
Возбуждение
мишени
электронной Фононы NSRIM NПВА Ncor Nexp
подсистемы
4600 3704
Ti 84% 12% 657 2050 (-80%)
(+24%)
3462 2594
Fe 81% 16% 684 2110 (-23%)
(+33%)
Zn 77% 19% 1111 3090 4500
4768 3360
Латунь 77% 19% 3346 (-0,5%)
(+42%)
4918 3380
Cu 78% 19% 1198 3490 (+3%)
(+46%)
В таблице 30 в скобках указано отклонение расчетных значений
количества дефектов в каскаде от экспериментальных значений.
Результаты, полученные в программе NRT, оказались приближены к
экспериментальным данным, так как расчет был выполнен по
экспериментальным значениям энергии, поглощенной в мишени при
облучении.
Количество дефектов, рассчитанное с помощью программы SRIM в
2,5-5 раз меньше, чем количество дефектов полученное экспериментально.
Это свидетельствует о высокой концентрации ускоренных нейтралов в МИП,
формируемом фокусирующим диодом с металлической сеткой на катоде.
Количество дефектов, полученное при моделировании методом
первично выбитого атома, приближено к количеству дефектов, которое
получено экспериментально. Для мишеней из меди и латуни расчетные и
экспериментальные значения оказались очень близки, а для мишеней из
других металлов данные оказались занижены.
Результаты моделирования по программе SRIM можно использовать
для оценки количества радиационных дефектов в каскаде атома углерода.
При этом энергию, которую теряет ион при возбуждении электронной
подсистемы, необходимо учитывать на формирование дефектов.
Выполненные расчеты показали завышенные данные для всех мишеней на
25-46%.
При моделировании в программах LAMMPS и SRIM получилось, что
количество радиационных дефектов в мишени из нержавеющей стали
меньше, чем количество дефектов в латунной и медной мишенях. Это
соответствует экспериментальным данным. Но в случае с мишенью из титана
получается расхождение с экспериментом. Так, по результатам
моделирования количество дефектов в титановой мишени значительно
больше, чем количество дефектов в мишенях из других металлов. Такое
расхождение отмечено в ряде статей [22, 57] и может быть связано с высокой
подвижностью дефектов.
Проведенные исследования показали, что радиационные дефекты
можно разделить на быстрые и медленные дефекты. Быстрые дефекты
аннигилируют в течение 0,1 с после облучения. Медленные дефекты
мигрируют в мишени и далее аннигилируют в течение десятков секунд или
формируют кластеры.
Моделирование в программе SRIM показало, что наибольшее
количество радиационных дефектов в каскаде иона С+ образуется в медной
мишени, а наименьшее в титановой. Это соответствует данным эксперимента
для быстрых радиационных дефектов.
А по результатам моделирования в LAMMPS было получено что
наибольшее количество радиационных дефектов в каскаде иона С+
образуется в медной мишени, а наименьшее в мишени из железа. Количество
дефектов в каскаде для титановой мишени превышает количество дефектов в
железной мишени, это соответствует данным эксперимента для медленных
радиационных дефектов.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ СТУДЕНТА

1. A. Prima, R. Zyryanova, L. Ding, Q. Zhang, Q.L. Han, C.C. Zhang.
Influence of radiation defects on the error of thermal imaging diagnostics of high-
power ion beams // 6th International Congress on Energy Fluxes and Radiation
Effects (EFRE 2018): Abstracts. — Tomsk: Publishing House of IAO SB RAS,
2018.
2. Прима А.И., Р.В. Зырянова, Ф.Т. Бакиев. Моделирование
формирования радиационных дефектов в металлах при облучении ионами
углерода // XVI Международная конференция студентов, аспирантов и
молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» 23 – 26
апреля 2019 г.
3. А. Прима, Р. Зырянова, Н. Передей, В. Медведский Определение
количества радиационных дефектов в конструкционных материалах при
облучении тяжелыми ионами углерода // 24th International Conference on Ion-
Surface Interactions (Москва) 19-23 августа 2019 г.
4. Прима А., Пушкарёв А., Зырянова Р., Передей Н., Медведский В.
Исследование концентрации радиационных дефектов, формируемых ионным
пучком в металлах // II Международный научный форум «Ядерная наука и
технологии». Алматы, Казахстан 24-27 июня 2019 года