辐照效应 part
中子辐照效应
中子辐照效应
中子辐照效应是指物质受到中子辐照后发生的一系列物理、化学、生物等变化。
中子是一种无电荷的粒子，因此在穿过物质时不会被物质中的电子相互作用散射，而是会与原子核相互作用，从而产生中子辐照效应。
中子辐照效应的影响非常广泛。
在核工业中，中子辐照是产生放射性同位素、探测材料中氢和硼等的重要手段。
在核电站和核反应堆中，中子辐照会导致材料的辐射损伤和变形，增加材料的脆性，从而影响设备的安全性能。
除了核工业之外，中子辐照还具有广泛的应用价值。
例如，在材料科学中，中子辐照可以用于研究材料的晶体结构、缺陷等性质；在生物医学中，中子辐照可以用于研究DNA、蛋白质等生物大分子的结构和功能等。
因此，研究中子辐照效应的性质和规律，对于深入了解物质的本质和开发新型材料、新型医疗器械等具有重要意义。
- 1 -。
(优选)核材料的辐照效应
所致。
二铁合金的粒子辐照效应
1 辐照对12Cr-ODS钢氧化物稳定性影响 利用氢离子（H+）束和电子（e-）束，双束（H+/e-）同时 辐照用化学浸润法制备的新型12Cr-ODS铁素体钢，研究辐 照对12Cr-ODS钢氧化物稳定性的影响。对不同辐照剂量下 原位观察辐照区内氧化物形貌的变化过程发现：辐照前和 15dpa辐照后约10-20nm氧化物的尺寸并没有明显变化，而氧 化物周围出现微小高密度空洞并没有影响氧化物的稳定性。 当辐照温度升高至823K时，大尺寸的氧化物Y2O3与基体的 相界面变得不规则，但氧化物颗粒尺寸并不发生明显变化。 实 弥验散结强果化表相明Y2：O3弥与散铁强素化体相相Y界2O面3尺变寸得稳粗定糙，与无氢明的显存溶在解，现促象进。 铁素体内空位向Y2O3氧化物扩散有关。
离子辐照前后实验材料的显微组织
3.450 ℃高能电子辐照对CLAM 钢微观结构 的影响
为了研究低活化马氏体CLAM 钢的抗辐照肿胀性 能,在450 ℃下对CLAM 钢进行大剂量高能电子辐 照的原位动态实验. 利用超高压透射电子显微镜观 察发现,CLAM 钢中产生了大量的间隙原子型位错 环和多面体形状的辐照空洞. 分析了它们的形核和 长大规律以及相关机制. 计算表明,CLAM 钢在高 能电子辐照下的最大肿胀率为0.26 % ,具有较好 的抗辐照肿胀性能.
理论计算辐照环境下纳米晶材料的结构变化
A 传统晶态合金
B 纳米晶材料
1 Bai XM, etc., Science, 327, 1631 (2010);
2 Ackland G, Science, 327, 1587 (2010)
一 锆合金的辐照效应
❖ 1. 单位体量材料积中位移原子数与原子总数之比 定义为原子位移（dpa），通常以其值来衡的辐 照损伤程度，在典型轻水堆电站中锆合金包壳每 一次循环下所受到的辐照损伤为20(dpa)，约相当 于10-7dpa/s,可见很严重。
材料辐照效应与核电材料--内含精选动图
1、辐照缺陷的产生过程
氦是惰性气体，不易溶于固体材料，因此一旦 金属中引入氦后，氦将与金属中点阵原子和缺 陷发生相互作用，最终导致金属微观结构和宏 观性质发生变化。
氦的存在形态有: 1)单个原子及原子团 2)氦泡
(3)级联碰撞 氦气泡、氢气泡
1、辐照缺陷的产生过程
氦泡形成后，可通过三种方式继续长大:
A、核电用钢
双相不锈钢
铁素体-奥氏体型双相不锈钢发展思路： 奥氏体不锈钢抗应力腐蚀性能较低 而铁素体不锈钢抗晶间腐蚀能差
A、核电用钢
双相不锈钢
I、铁素体分布在奥氏体中，提 高强度，增加导热性能，降低 焊接热裂纹倾向。塑性较高的 奥氏体降低了铁素体的脆性。
II、抗晶间腐蚀的原因。 铁素体钢的晶间腐蚀是由于在 晶界析出含Cr化合物Cr23C6。 双相钢中，C富集在奥氏体中， Cr富集在铁素体中。所以C和 Cr相遇的可能性明显降低， Cr23C6形成量减小，不会链接 成网状。
金属锆的物理性质
塑性比较差
原子序数 原子量
密度(g/cm3) 熔点(℃) 沸点(℃)
热膨胀系数(1/℃) 导热率(W/m℃)
40 91.22
6.5 1845 3852 4.9×10-6 16.7 (125℃)
晶体结构
热中子吸收 截面(靶)
<862℃ 密排六方
>862℃ 体心立方
a=0.323nm a=0.361nm
1)吸收新引入的或者热迁移来的氦原子或吸收空位。 2)迁移-合并机制。 3) Ostwald熟化长大。在热平衡时，氦泡的压强与大小有 关，小氦泡的内部压强小，大氦泡内压强大，因此不同尺 寸的氦泡之间存在着氦原子浓度梯度，这种浓度梯度使得 小氦泡的氦原子重新溶解而扩散到大泡，导致小的氦泡消 失，大的氦泡长大。
半导体辐照效应
半导体辐照效应
半导体的光电效应是指当半导体被光照射时，其价带和导带中的电子和空穴被光子激发，产生光生载流子。
这些光生载流子可以在半导体中移动，产生光电流。
半导体的光电效应是半导体材料重要的物理特性之一。
当半导体被强光照射时，光的能量超过其禁带宽度，导致价带和导带之间的能级压降增大。
这样，光生载流子的浓度就会急剧增加，产生大量的光电流。
此外，半导体中的杂质也会影响光电效应的发生。
例如，在锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时，杂质能级上的电子很容易激发到导带成为电子载流子。
而掺入三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，则会产生空穴载流子。
半导体辐照效应可以用来制造太阳能电池、光电子器件、光电探测器等光学器件。
在这些应用中，半导体的光电效应是实现光能量转化为电能的关键。
聚合物辐照效应
辐照效应（radiation effects）固体材料在中子，离子或电子以及γ射线辐照下所产生的一切现象。
辐照会改变材料的微观结构，导致宏观尺寸和多种性质的变化，对核能技术或空间技术中使用的材料是个重要问题。
在晶体中，辐照产生的各种缺陷一般称为辐照损伤。
对于多数材料而言，主要是离位损伤。
入射离子与材料中的原子核碰撞，一部分能量转换为靶原子的反冲动能，当此动能超过点阵位置的束缚能时，原子便可离位。
最简单的辐照缺陷是孤立的点缺陷，如在金属中的弗仑克尔缺陷对（由一个点阵空位和一个间隙原子组成）。
级联碰撞条件下，在约10 nm 直径的体积内产生数百个空位和数百个间隙原子。
若温度许可，间隙原子和空位可以彼此复合，或扩散到位错、晶界或表面等处而湮没，也可聚集成团或形成位错环。
一般地说，电子或质子照射产生孤立的点缺陷。
而中等能量(10-100KeV)的重离子容易形成空位团及位错环，而中子产生的是两种缺陷兼有。
当材料在较高温度受大剂量辐照时，离位损伤导致肿胀，长大等宏观变化。
肿胀是由于体内均匀产生的空位和间隙原子流向某些漏（如位错）处的量不平衡所致，位错吸收间隙原子比空位多，过剩的空位聚成微孔洞，造成体积胀大而密度降低。
辐照长大只有尺寸改变而无体积变化，仅在各向异性显著的材料中，由于形成位错环的择优取向而造成。
离位损伤造成的种种微观缺陷显然会导致材料力学性能变化，如辐照硬化、脆化以及辐照蠕变等。
辐照缺陷还引起增强扩散，并促使一系列由扩散控制或影响的过程加速进行，诸如溶解，沉淀，偏聚等，并往往导致非平衡态的实现。
对于某些材料如高分子聚合物，陶瓷或硅酸盐等，另一类损伤，即电离损伤也很重要。
入射粒子的另一部分能量转移给材料中的电子，使之激发或电离。
这部分能量可导致健的断裂和辐照分解，相应的引起材料强度丧失，介电击穿强度下降等现象。
结构材料中子辐照后主要产生的效应·1）电离效应：指反应堆中产生的带电粒子和快中子与材料中的原子相碰撞，产生高能离位原子，高能的离位原子与靶原子轨道上的电子发生碰撞，使电子跳离轨道，产生电离的现象。
chapter6 辐照效应 part1
• PKA：快中子最初撞出 的第一次离位原子，叫 初级离位原子 （Primary knock-on atoms）
PKA PKA
辐照效应和辐照损伤
辐照损伤 级联碰撞与撞出损伤函数
• 级联碰撞（cascade process）：最初被撞离位原子（PKA)的 能量远大于离位阈能，可连续地和点阵中其他原子发生碰 撞，构成二次、三次以至更多次生离位原子，称为级联碰 撞 • 损伤函数（E）：一个PKA最终撞出的离位原子数目 （Frenkel对缺陷数），称为损伤函数。 损伤函数同辐照硬化和脆化的关系尚不明确，但同空洞长 大及辐照蠕变有较好的关系。因此损伤函数对评估中子辐照 产生的离位原子数及其随后的变化行为很重要，它能决定辐 照缺陷的数量、分布形态以及辐照效应大小 因此，对辐照损伤函数（E）的计算很重要
200
1263 1.1106 325 28
辐照效应和辐照损伤
辐照损伤
级联碰撞与撞出损伤函数 已知裂变中子平均能量为2MeV，它轰击铁原子，后者获得的能量 约为0.138MeV，此值远远大于铁的离位阈能（Ed=25eV），也远远 超过为使铁原子离位所需要的325eV的入射中子能量
4M1 M2 T max= E0 = 0.069E0 2 (M1 + M2)
辐照效应和辐照损伤
辐照过程的碰撞问题 • 坐标系的选择： 在对二体碰撞进行动力学分析时，可供选择的坐标系 有实验室坐标系、相对运动坐标系以及质心坐标系。在研 究中子对靶原子的碰撞中，主要采用实验室坐标系和质心 坐标系。
实验室坐标系：以实验室为静止参照物， 碰撞前靶原子处于静止状态，受到速度为 v1的入射粒子碰撞后，靶原子核入射粒子 的运动状态均发生变化 质心坐标系：以参加碰撞的两个物体的质 心为静止参照物，在该坐标系中，两个物 体分别以w1、w2相向运动，碰撞后又分别 以w1’、w2’背向运动
细胞生物学中的紫外线辐照效应研究
细胞生物学中的紫外线辐照效应研究紫外线辐射是一种高能量电磁辐射。
在自然界中，太阳光是紫外线最主要的来源，但人类活动也会导致紫外线污染。
紫外线光谱范围可分为三个区域：紫外线A波段(UVA，320nm-400nm)、紫外线B波段(UVB，290nm-320nm)和紫外线C波段(UVC，100nm-290nm)。
其中，UVC被大气层吸收，UVB和UVA能够穿透至地球表面。
然而，由于地球大气层的破坏和人类活动，UVB的强度已经明显增加，而导致皮肤癌等疾病的风险也因此增加。
细胞对紫外线辐射极为敏感，辐射会导致细胞DNA的损伤和其他分子的氧化损伤，从而诱发细胞凋亡或癌变。
因此，研究细胞在紫外线辐射下的反应和适应机制非常重要。
在细胞生物学中，已经发现了很多与紫外线辐照相关的生物效应，如DNA损伤的检测和修复、信号通路的变化、蛋白质的氧化损伤等。
这些生物效应在细胞内发挥着关键的作用，以适应外界环境的变化。
紫外线辐照对DNA的影响DNA是细胞内最基本的遗传物质，其稳定性对于细胞生存和繁殖至关重要。
UVB和UVC能够引起DNA分子内的氧化损伤，并在大多数情况下引起DNA单链断裂或氧化损伤。
这些损伤若无法及时修复，将会导致细胞凋亡或癌变等严重后果。
对于这种情况，细胞会启动一系列的DNA损伤修复机制，以保障正常的遗传信息重现。
目前，DNA损伤修复的主要途径有直接修复、碱基切除修复和重组修复等。
这些修复途径的不同，决定了细胞对UVB和UVC辐射的抗性不同。
除了直接修复、碱基切除修复和重组修复，细胞还可以通过其他途径来减轻紫外线辐照对DNA的损伤。
例如，研究表明，在DNA氧化损伤的发生过程中，NAD基因和谷胱甘肽还原酶等重要因子可以发挥重要作用。
此外，还有一些蛋白质能够增强DNA的应激防御，不仅可以固定DNA分子，更能够在DNA双链裂解时帮助完成修复。
紫外线辐照对细胞信号通路的影响细胞内的信号通路是细胞对环境变化做出反应的重要途径之一，它能够感知细胞内外环境的变化，进而调节细胞生命活动。
第七讲 核材料的辐照效应讲解
3. 在（2~3）×1019n/cm2的注量后观察到了 空位环和空位间隙，这时产生的空位环主要 是<a>型1/3<1120>环，空位环和间隙环大体 上均衡发展是锆合金的特点，其比例取决于 辐照温度和注量，注量达到 (3~8)×1021n/cm2后还产生<c>型1/6<2023> 环，这只是空位环。与不锈钢不同，中子辐 照下锆合金中未发现空洞的存在。
Zr-4合金的中子辐照生长
对由两厂分别生产的Zr-4包壳管样品在重水
堆内进行中子辐照试验, 辐照温度为610K, 快中
子注量为4.2×1020/cm2(E>1.0MeV)。试验结
果表明, Zr-4管的辐照生长应变随辐照中子注量
增加呈线性增加。两厂生产的Zr-4包壳管的生
长应变可用
表达式描述,
两者的差异可能是合金元素和杂质的综合影响
辐照对拉伸性能的影响
中子辐照铝的微观结构变化
铝的中子辐照实验是与硅的中子辐照同 时进行的。中子辐照时, 纯铝箔(纯度为99. 999% )包裹着硅。中子辐照实验在核反应 堆中进行, 辐照剂量为1015 —1016 neutron / cm2。辐照试样取出后, 放置一定时间, 等 到放射性降低后再对试样进行分析。利用 扫描电子显微镜( SEM) 、透射电子显微镜 ( TEM)和纳米显微力学硬度计对中子辐照 后的纯铝试样进行分析。
随着注量提高到4×1026n/m2，牌号1100技术纯铝不断 提高着强度极限和屈服极限，但相对延伸率仍然完全没变化。 甚至在高注量辐照下，也不会使铝明显脆化。加工变形铝的 特点是，辐照不但提高了强度性能，同时还保持了足够高的 塑性，所以铝的性能辐照后可能比辐照前要好
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辐照效应和辐照损伤
辐照效应 射线的种类
• 中性粒子：中子、射线（光子） • 带电粒子：粒子（He核）、质子、电子（包括） • 高能原子和离子：裂变产物、一次碰撞反冲原子以及加速的 离子
两种主要的辐射 • 对于结构材料：射线、射线和射线对金的损 伤可忽略，辐照损伤主要来源于中子的辐照； 射线 对高分子材料有损伤作用，会导致诸如电缆的老化； • 对于燃料材料：其损伤主要来源于裂变产物
铁原子的离位阈能：25eV
结构材料的辐照效应主要是由高能中子引起一些原子离开点阵位 臵而产生的缺陷造成的
辐照效应和辐照损伤
辐照过程的碰撞问题 碰撞过程是一个非常复杂的问题，简化为：
• 二体碰撞：忽略原子之间的相互作用，只考虑直接参与碰撞 的两个物体，即入射粒子和被撞的靶原子，忽略材料中其它 相邻原子对这一碰撞的影响。 • 原子碰撞和原子核碰撞： 原子的尺度等于其轨道电子产生的电子云的尺度（10-8cm）， 原子核的尺度只有10-12cm 入射粒子先与靶原子的电子云碰撞，穿过电子云后才能与靶 原子核碰撞，前者称为原子碰撞（或电子碰撞）；后者称为原 子核碰撞 入射离子和电子带电荷，与靶原子发生原子碰撞—激发 （电离态）；因此入射能量的大部分都消耗于原子碰撞，只有 很少一部分作用在原子核碰撞上。 入射中子本身不带电荷，辐照时主要是原子核碰撞
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 辐照的间接效应： 材料还会因辐照产生一些间接效应，其中最重要的是 辐照对材料的腐蚀稳定性的影响 • 腐蚀介质的成分由于辐照分解而发生变化；
比如：水的辐射分解--水在反应堆条件下会产生辐射分解： 游离氧、水合电子、氢离子
• 材料表面的保护性氧化膜因辐照出现损伤； • 材料表面参与化学反应的原子还会从辐照射线获得 能量 这些现象往往会加快材料的腐蚀过程
235 92 235 92 87 U n 147 La 57 35 Br 2n 139 59 94 38
U n Xe Sr 3n
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 辐照损伤（irradiation damage)-类型 高能射线对材料产生的辐照损伤效应，按其作用时间 的长短，可分为三类 • 过渡效应（电离效应）：是指反应堆内产生的带电 粒子和快中子撞出的高能离位原子与靶原子轨道上 的电子发生碰撞，而使其脱离轨道的电离现象。
辐照效应和辐照损伤
辐照损伤
碰撞时的能量传递
离位效应是金属材料辐照损伤的源头 什么样的中子能对材料产生辐照损伤？
• 裂变反应释放的中子能谱： 从0.1~10MeV，平均能量为2MeV-快中子； 能量在0.01~0.1eV，为慢中子 • 大于1MeV的快中子在级联碰撞中因产 生离位原子数量多，从而形成的缺陷团 和贫原子区以及它们的存活率也随之增 高
例如：普通的58Ni原子受中子辐照后，会放出射线，同时生成 自然界中不存在的59Ni，即： 58Ni(n，)59Ni 59Ni继续受到中子辐照后，引起下列的核嬗变反应： 59Ni(n，)56Fe 放出粒子（氦核），同时生成具有放射性的原子核56Fe
嬗变反应将会使材料的合金元素成分发生变化。由于这种辐照效 应不可能通过热处理方法来消除，故称为不可逆效应
金属材料中的过渡效应是一种暂态效应，而可逆效应则是一种累积效应，它 与射线的辐照剂量有密切的关系
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 • 永久效应（嬗变）：中子能量超过MeV量级，就有 可能与靶材料的原子核发生核嬗变，而生成新的原 子核，常用A（x，y）B来表示核嬗变反应，其意 义为原子核A吸收一个入射粒子x后，放出粒子y， 同时原子核A嬗变为原子核B
对于金属材料来说，这些效应最终主要转换成热量 释放，一般不会给材料结构带来什么变化。 过渡效应所产生的热效应对于 材料的辐照行为具有不可忽视的影响
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 • 可逆效应（离位效应）：材料中的原子受到射线辐 照后，有可能被弹击出原来的晶格位臵，产生晶体缺 陷，从而影响材料的性能。 具体来说：中子与材料原子发生碰撞，如果传递 给阵点原子的能量超过某一最低阈能，这个原子就会 离开它在点阵中的正常位臵，在点阵中留下空位。当 这个原子的能量在多次碰撞后不能再引 起另一个阵点原子位移时，该原子会 停留在间隙形成一个间隙原子。 由于可以通过适当温度的退 火来消除这些因辐照产生的晶体缺陷， 故称之为“可逆效应”
• 一般冶金学从热力学平衡的角度研究材料的变化， 所涉及的能量只有几个乃至几十个eV
• 核能相关的射线能量一般都非常高，中子射线的能 量达到keV~MeV数量级，相差近百万倍 • 这些高能射线在材料中将会产生许多特殊的辐照效 应，对其结构乃至物性产生重大的影响
辐照效应和辐照损伤
辐照效应
辐照损伤是指材料受载能粒子轰击后产生的点缺陷和缺陷团及 其演化的离位峰、层错、位错环、贫原子区和微空洞以及析出 的新相等。这些缺陷引起材料性能的宏观变化，称为辐照效应。
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 因此：在反应堆结构材料的合金设计中，必须考虑核 嬗变引起的合金成分变化，以保证合金的性能不会受 到过大的损害，并尽可能减少材料因辐照而诱发产生 的放射性影响 (n，)、(n，p)是材料辐照损伤研究中最重要的两类 核嬗变反应。这两类嬗变反应产生的氢、氦等元素与 辐照缺陷作用在一起，会对材料的结构和性能产生更 加复杂的影响。它们一直是辐照损伤研究中的重要课 题。
辐照效应和辐照损伤
辐照过程的碰撞问题 • 弹性碰撞和非弹性碰撞： 在弹性碰撞假定中，入射粒子与靶原子相互碰撞后， 不会放出新的粒子，自身也不会被激发或嬗变成其它粒子， 就是说两个碰撞物体的内部状态不会发生任何变化，碰撞 前后两个物体的动能和动量均满足守恒定律。 弹性碰撞主要用于分析原子核碰撞 非弹性碰撞主要用于分析原子碰撞，它不会产生晶体 原子离位性质的辐照损伤
辐照效应 Irradiation Effects on structural materials part1
China Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, China
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 • 核反应堆结构材料的一个显著特点就是会受到各种 射线的辐照，这是它与其它工业材料的最大不同之 处。