加速器快电子束辐照条件下铁基材料中缺陷演化机理原位研究

The defects of radiation damage produced by fast electrons mainly exist in the form of Frekenel pairs with rare damage cascades，which is different from the defect generated in ion irradiation experiment. This fact indicates that we can avoid the effect of localized concentration of defects caused by damage cascade and investigate the property of defect and mechanism of defect evolution. This project uses the fast electron beam from a traveling-wave accelerator as radiation source to introduce damage into pure iron or iron-based alloy samples and do in-situ observation of damage evolution. To carry out the radiation experiment successfully, we designed the radiation chamber , imaging system of transmitting electrons and the read-out electronic system. The image of transmitting electrons will be processed to identify the defects and extract the information of defects and defect clusters by using tools based on OpenCV. The dynamic parameters of defects evolution in pure iron and iron-based alloy will be worked out by numerically solving a group of differential equations to describe the process of defects evolution which is established with pseudo equilibrium of defect during the radiating time. The formation energy of defect clusters will be obtained by reverse-modeling of Ostwald Ripening process. We will also use muti-scale modeling to research the transient process which can not be observed in experiment and verify the the rationality of dynamic parameters obtained by experimental approach.

快电子束在材料中产生的辐照损伤以Frekenel对为主，少有损伤级联出现，避免了离子辐照实验中初始辐照缺陷由损伤级联导致的局部聚集效应，特别适合用来研究缺陷本身的性质和演化机理。本项目以10MeV行波电子加速器产生的快电子束为辐射源，精心设计辐照靶室和透射电子，对纯铁和铁基合金材料进行辐照实验和辐照缺陷演化的原位观察，研究材料中辐照损伤的演化过程。使用OpenCV开发的图像识别技术处理得到的透射电子图像，提取缺陷及缺陷团簇的信息；基于辐照过程中缺陷瞬时平衡建立缺陷演化过程的数学描述方程组并进行数值求解，得到纯铁和铁基材料中缺陷演化动力学参数；通过对Ostwald Ripening过程进行逆建模获取缺陷团簇的形成能，得到其随团簇大小变化的关系。本项目还将使用计算机多尺度建模的方法来对比实验获取的动力学参数并补充实验无法观察的瞬时过程图像，给出点缺陷、缺陷团簇在材料中演化过程的精确描述。

本项目以电子束辐照效应为研究背景，试图通过高能电子束流辐照铁基材料并对辐照产生的缺陷进行表征的方法得到材料中辐照缺陷的基本性质参数和演化机理。项目计划使用最高能量为10MeV的可调能量行波电子加速器产生的2MeV、5MeV、8MeV和10MeV的电子束作为辐射源辐照铁基材料，包括纯铁样品和简单铁基合金，使用辐射成像的方法在线观察辐照缺陷的演化过程，并通过对Ostwald Ripening过程进行逆建模得到材料中缺陷的主要物理参数。在项目实施过程中，受到国际关系变化和新冠疫情的影响，原计划项目中的国际合作实验和部分采购计划无法实施，通过及时调整研究内容和实施方法完成了项目大部分内容。项目取得的主要成果集中在高能量轻带电粒子辐照效应理论研究方面，包括轻带电粒子与材料相互作用过程中的离位损伤截面模型及其应用、高能正电子在材料中的辐照损伤及其对正电子湮没谱仪表征过程的影响、电子辐照过程中材料中次级电子的产生过程建模及蒙特卡洛模拟、利用扫描电子显微镜中的背散射电子对材料中非均匀辐照空洞型缺陷进行三维表征和重建方法研究等，部分研究成果已经整理成论文公开发表。除此以外，通过调整本项目经费预算，将不能支付的国际合作及进口采购的预算调整为国内计算设备租赁、原材料购买及材料表征手段租用等，为项目负责人在能源材料研究领域内其它研究内容提供了经费支持，在节能技术、防大气污染、新能源材料等研究方向取得研究进展，部分研究成果也已经公开发表。本项目在轻带电粒子辐照效应领域取得了建模进展，给出了离位损伤截面计算的理论模型和计算程序；对正电子在材料中的辐照损伤进行了评估，主要结论对于使用正电子湮灭方法表征辐照缺陷具有参考意义；有关辐照过程中次级电子产生过程的研究对于太空中由于辐照导致的介质击穿、辐照导致生物大分子失效等现象研究具有促进作用。在能源材料方向取得的研究成果对于绿色工业的发展具有积极意义，也为项目负责人在新研究领域打下了基础。