典型光学材料辐射损伤机制及光学性能影响研究

The energy of the neutrons produced in fusion process has energy as high as 14 MeV. These neutrons can causes severely irradiation damage in materials, resulting in modifying mechanical and optical property of materials used in fusion facility. Our research will concentrates on the irradiation effects by neutron and energetic ions in optical materials, which is more sensitive to irradiation than metals and alloys. In experiment, we use both neutron and energetic ions to irradiate the typical optical materials used in ICF (SiO2 and KH2PO4), and analyze the properties of irradiation defects and measure the optical performance of these materials before and after irradiation. By using computer simulation techniques, we investigate the mechanism of energetic particle damaging optical materials, including defect production, transportation and segregation process. Finally, systematic experimental data could be obtained, and a model will be set up to estimate the performance degradation of optical material under neutron irradiation. These results are very helpful for the current fusion facility and for their practical application in the future.

聚变中产生的中子能量高达14 MeV，在材料中会产生大量的辐射损伤缺陷而导致材料性能发生明显变化,严重影响到聚变装置的安全和使用寿命。本申请项目主要研究高能中子在光学材料中的辐射损伤规律，以及辐照损伤对材料光学性能的影响。利用不同能量、不同质量的离子和特定参数的中子，辐照石英玻璃（SiO2）、KDP晶体（KH2PO4）等典型光学材料，测量分析样品中损伤缺陷特性和产生规律，以及样品光学性质在辐照后的变化。建立针对上述材料的计算机模拟平台，研究光学材料中辐射损伤缺陷的产生、迁移、聚集以及复合过程和机制，建立描述中子辐照导致材料光学性质变化的物理模型。在实验和理论研究的基础上，探索提高光学材料抗辐照性能的可能途径。本项目将获得光学材料在中子/离子辐照下性能退化的实验数据，并建立评估光学材料抗辐照能力的物理模型，对我国未来聚变装置的设计和实际应用具有重要供参考价值。

聚变产生的中子能量高达14MeV，在材料中会产生大量的辐射损伤缺陷而导致材料性能发生明显变化,严重影响到聚变装置的安全和使用寿命。本项目主要研究中子在光学材料中的辐射损伤规律，以及辐照损伤对材料光学性能的影响。利用不同能量、不同质量的离子和特定参数的中子，辐照石英玻璃等典型光学材料，研究样品中损伤缺陷特性和产生规律。.本项目针对离子和中子在光学材料中的辐射损伤规律开展研究，包括实验研究和计算机模拟辐照效应两个方面，项目执行期间取得的主要成果包括：1）陶瓷材料辐照损伤效应的多尺度计算机模拟及光学性能损伤评估模型。首先利用Geant4和SRIM程序，计算了能量从1eV到14MeV中子在石英（SiO2）等材料中的初级碰撞原子（PKA）能谱，获得了H/He的浓度随入射中子能量变化的关系；在此基础上，计算了不同中子辐照下的移位损伤数；利用经典分子动力学（Lammps）模拟了离子在其中的辐射损伤过程和规律，并通过实验（MeV能量的H/C离子）方法测量了样品结构变化随入射离子能量和剂量的关系，确认了上述计算机模拟结果的可靠性。结合量子分子动力学计算，初步建立了评估光材料辐照损伤对其光学性质影响的物理模型；2）实验发现基底SiO2的存在降低了所支撑石墨烯产生辐照缺陷的阈值，这个发现对通过不同支撑材料改善石墨烯加工技术有重要意义。同时，同时也对有SiO2基底的石墨烯的掺杂进行了理论和实验的分析， 发现Si或者相似元素的高掺杂效率使得离子注入掺杂石墨烯的有效方法；3）通过和中国工程物理院核物理与化学所的合作，开展了中子辐照碳化硅的实验工作，并对该样品进行了拉曼光谱、高分辨率XRD等实验分析，获得了国内第一份详细的实验结果。.总之，本项目基于实验和计算机模拟研究，对光学材料中辐射损伤缺陷的产生、迁移、聚集以及复合过程和机制有了深入的认识，同时建立了描述中子辐照导致材料光学性质变化的物理模型。在实验和理论研究的基础上，探索提高光学材料抗辐照性能的可能途径，对我国未来聚变装置中陶瓷材料损伤评估具有重要的参考价值。