高能重离子与材料相互作用的微观机理和宏观改性研究

本项目借助先进的加速器装置，从高能重离子辐照材料的实验出发，研究总能量达到上百GeV的高能重离子与固体相互作用的微观机理和宏观改性。沿入射离子路径，重离子在极短时间和很小体积内沉积巨大能量，在固体中瞬间形成高能量密度的非平衡态区域，驰豫过程将导致物质微观结构和性质发生异常变化，最终形成一条径向扩展几个纳米，材料性质被改变的区域，即潜径迹，径迹包含了入射离子与固体相互作用的特性。许多材料中径迹内部性质发生剧烈的变化，如晶体向非晶态转变，甚至相变。对表面和体内潜径迹的研究可以定量获得高能重离子与物质作用的电子能损效应和速度效应，揭示新相态的形成机制。高能入射离子产生的径迹具有毫米量级的长度，在固体中形成宏观一维扰动，通过研究高剂量下材料的辐照效应和引起的物理性质变化，可以为材料在高能重离子环境下的应用提供基础数据。实验结果将推动相对论重离子引起材料改性的研究，为开展高能量密度物质研究打下基础。

本项目针对高能重离子与固体材料相互作用的潜径迹形成和离子速度效应做了系统研究，并进行了理论模拟计算。利用兰州重离子加速器（HIRFL）加速的初始动能为9.5 MeV/u 的Bi离子、25 MeV/u 的Kr离子、25 MeV/u 的Ar离子，以及德国亥姆霍兹重离子中心（GSI）的通用直线加速器（UNILAC）加速的初始动能11.4 MeV/u、8.6 MeV/u的U离子束在室温下辐照高定向热解石墨（HOPG）；利用显微共焦拉曼光谱仪、原子力显微镜（AFM）、扫描隧道显微镜（STM）和X射线光电子能谱（XPS），研究了HOPG样品的辐照损伤形貌和样品表面离子潜径迹的大小、高度和产额，以及sp3杂化相等随辐照参数的变化，获得了荷能重离子与高定向石墨作用潜径迹形成的基本规律；从能量沉积密度和非弹性热峰模型角度对实验数据进行了定性和定量的解释。