钚中空位对氦泡生长影响的运动学Monte Carlo研究

对于氦在金属中的行为特性研究,人们已经做了大量工作;但对于金属钚,这方面的工作仍然非常少。钚的自辐照效应可以在自身引入大量的空位和氦原子,这些空位及氦原子扩散、聚集,会对材料性能造成不良影响。本文采用动力学Monte Carlo（KMC）方法,分别建立了纯氦模型和空位模型,进行模拟研究,发现空位对氦泡生长速度、生长形态都有明显的影响。     

金属钨中氦团簇扩散与形核特性的分子动力学研究

本文应用分子动力学方法模拟研究了氦团簇在金属钨中的扩散特性,得到了不同大小团簇的扩散系数,结果表明氦团簇越大,扩散越慢.氦团簇越大越容易激发出自间隙钨原子,且大的氦团簇只需要很低的钨基体温度即可激发.在金属钨中加入125个氦原子（氦浓度低于0.1%）,研究了氦团簇的形核特性.通过比较氦团簇、自间隙团簇和空位团簇3种缺陷的尺寸分布发现,氦团簇的尺寸在800 K达到最大值,其它两种缺陷尺寸随温度的增加而逐渐增大.     

晶体镍中氦泡生长的分子动力学模拟

利用分子动力学方法模拟了面心立方金属镍中氦泡的膨胀和融合过程。通过原子分布示意图、径向分布函数等方面的分析研究发现,在温度较低时,随时间的演化,原相隔五层镍原子的两氦泡逐渐聚拢,同时周围出现大量空位、间隙原子、位错等缺陷结构;两氦泡最终连为一体,氦泡周围的镍原子构成一菱形位错区域。温度较高时,两氦泡融合速度加快,融合区域增大,这对于研究材料中的杂质、缺陷、孔洞、裂纹的扩展、贯通机理具有重要意思。     

高能氦粒子对N型磷掺杂硅半导体辐照效应的模拟研究

利用SRIM模拟软件对硅太阳能电池板的减反射膜和N型磷掺杂硅半导体进行了氦粒子辐照模拟实验,实验可知10Me V高能氦粒子对减反射膜几乎不会产生大的损伤,对减反射膜辐照损伤是长期的累积效应。高能氦粒子的辐照损伤主要集中在N型磷掺杂硅半导体内部,这种内部损伤是个短期内快速累积效应。每个辐照氦粒子会在硅半导体材料内部把自身的能量释放出来,导致硅半导体材料内部发生离化现象,造成损伤,这种损伤包括原子离位、原子反冲、原子替换、空位的形成等,会产生平均空位率为394个空位,产生的粒子平均离位率为427个离位原子,会导致大量原子发生级联碰撞。     

UO_2核燃料中Xe气泡演化的相场模型与分析

在UO_2核燃料中,由于空位和Xe气体原子形成能较大,导致其在核燃料基体中的热平衡浓度极低,因此通过传统相场方法难以定量地研究UO_2中气泡的演化过程.本文针对这一问题,提出了一个定量的相场模型.根据热力学理论以及KKS模型推导出系统的自由能密度方程.利用该相场模型可以研究极低空位和Xe气体原子浓度下纳米尺度气泡生长演化过程.本文分别研究了空位和Xe气体原子产生速率以及温度和温度梯度对气泡演化的影响.研究发现在高温和高的空位以及Xe气体原子产生速率下气泡生长较快.纳米尺度的气泡在向高温区移动过程中沿温度梯度方向被拉长.同时模拟结果也证实了核燃料中心空洞的形成.基于本模型的模拟结果与经典速率理论以及实验观察一致.     

钨/石墨烷/钨第一壁材料缺陷与力学性能的第一性原理计算

托卡马克装置是实现可控热核聚变的主要装置之一, 而第一壁材料在确保托卡马克装置稳定运行的过程中起着至关重要的作用. 钨金属已被广泛使用作为第一壁材料, 但是聚变反应产生的氦原子在进入钨晶体后易形成"氦气泡"和点缺陷, 严重影响托卡马克装置第一壁材料的稳定性. 首次设计将钨/石墨烷/钨体系作为第一壁材料. 第一性原理计算结果表明, 钨/石墨烷/钨第一壁材料中的界面可以捕获氦原子和空位, 且能促进自填隙钨原子与空位复合, 从而降低钨体相中的缺陷密度; 弹性常数计算结果表明, 石墨烷层的存在可以提高钨金属的柯西压力值($C' $)和各向异性因子($A$), 使第一壁材料的延展性得以提高, 且不易出现裂纹, 但是在相同温度下钨/石墨烷/钨第一壁材料的力学模量有所下降; 利用准简谐德拜模型计算吉布斯自由能 $G^*$、定容热容$C_\mathrm V$、熵($S$)等热力学函数结果表明, 钨/石墨烷/钨第一壁材料的热力学稳定性与纯钨金属相比有所下降.     

缺陷表面氮化镓二次外延的分子动力学研究

采用分子动力学方法研究含有表面缺陷的氮化镓材料的二次外延生长过程,探讨生长温度,表面缺陷数量和缺陷结构等对二次生长材料质量的影响.发现当在生长表面随机引入3.125%占比的空位缺陷且生长温度在1 373 K以上时,对材料质量的影响不明显;当随机引入12.5%占比的空位缺陷时,可以改善二次生长材料的质量;当在生长表面上引入12.5%占比的2个六边形结构空位缺陷时,缺陷区域出现大量原子的岛状生长,同时原子排列变得无序,二次生长的材料生长质量明显劣化.     

纳米晶钨膜的沉积工艺研究及微结构表征

采用射频测控溅射方法,在Ar/He混合气氛下制备了纳米晶钨膜;利用增强质子背散射、慢正电子束分析和X射线衍射分析分别对钨膜中钨原子沉积情况、空位型缺陷分布及微结构进行了分析.结果表明:纳米晶钨膜具有完好的体心立方晶体结构,沿(110)方向生长;微量的氦掺入有助于钨原子沉积,同时也有利于制备均匀性和热稳定性较好的厚钨膜.     

金属薄膜裂纹扩展的分子动力学研究

研究了冲击载荷作用下金属薄膜表面裂纹扩展的微观机制,采用分子动力学方法对Cu薄膜进行模拟计算,求得冲击载荷作用下带有表面裂纹模型的系统动能、应力、应变及微观结构变化图.当系统从压应力转变为拉应力状态时,裂纹上的原子获得较大动能,裂纹尖端原子开始发生溅射,继而晶格内部出现空位.当拉应力达到364385MPa时,空位扩大形成裂尖钝劈现象,裂纹发生扩展.结果表明:在高速冲击载荷作用下,金属薄膜裂纹扩展主要原因是系统能量和应力的变化使得微裂纹尖端出现钝劈损伤.     

钨基辐照材料纳米氦泡诱导位错成核的分子模拟

基于分子动力学模拟, 系统研究纳米氦泡的内压、孔径和温度对钨基辐照材料位错成核机理的影响. 首次采用微动弹性带 (nudged elastic band, NEB) 方法对氦泡诱导位错成核的能垒进行分析. 研究发现, 存在一个极限氦/空位比, 当氦/空位比超过该极限值时, 纳米氦泡通过内压驱动位错成核、位错竞争与反应、交滑移等微观机理生成并发射柱型位错环而长大;氦泡诱导位错成核所需的极限内压随温度的升高与氦泡的长大而减小, 氦/空位比的增加可以有效地降低位错成核所需的能垒.     

低能正电子与氦原子的弹性散射

对电子与氦原子相互作用的模型势进行了修正.用修正前后的模型势计算低能电子被氦原子散射使得S分波相移与实验结果一致,把同样的模型势(忽略交换势)应用到低能正电子被氦原子散射,得到了低能正电子的分波相移、弹性散射截面、动量转移截面.结果表明,用修正后的模型势所得到的结果与实验值符合得很好.从而说明对模型势的修正是合理的.     

Two-photon laser spectroscopy of antiprotonic helium and the antiproton-to-electron mass ratio

Physical laws are believed to be invariant under the combined transformations of charge, parity and time reversal (CPT symmetry). This implies that an antimatter particle has exactly the same mass and absolute value of charge as its particle counterpart. Metastable antiprotonic helium (pHe(+)) is a three-body atom consisting of a normal helium nucleus, an electron in its ground state and an antiproton (p) occupying a Rydberg state with high principal and angular momentum quantum numbers, respectively n and l, such that n?≈?l?+?1?≈?38. These atoms are amenable to precision laser spectroscopy, the results of which can in principle be used to determine the antiproton-to-electron mass ratio and to constrain the equality between the antiproton and proton charges and masses. Here we report two-photon spectroscopy of antiprotonic helium, in which p(3)He(+) and p(4)He(+) isotopes are irradiated by two counter-propagating laser beams. This excites nonlinear, two-photon transitions of the antiproton of the type (n, l)?→?(n?-?2, l?-?2) at deep-ultraviolet wavelengths (λ = 139.8, 193.0 and 197.0?nm), which partly cancel the Doppler broadening of the laser resonance caused by the thermal motion of the atoms. The resulting narrow spectral lines allowed us to measure three transition frequencies with fractional precisions of 2.3-5 parts in 10(9). By comparing the results with three-body quantum electrodynamics calculations, we derived an antiproton-to-electron mass ratio of 1,836.1526736(23), where the parenthetical error represents one standard deviation. This agrees with the proton-to-electron value known to a similar precision.     

Allowed and forbidden transitions in artificial hydrogen and helium atoms

The strength of radiative transitions in atoms is governed by selection rules that depend on the occupation of atomic orbitals with electrons. Experiments have shown similar electron occupation of the quantized energy levels in semiconductor quantum dots--often described as artificial atoms. But unlike real atoms, the confinement potential of quantum dots is anisotropic, and the electrons can easily couple with phonons of the material. Here we report electrical pump-and-probe experiments that probe the allowed and 'forbidden' transitions between energy levels under phonon emission in quantum dots with one or two electrons (artificial hydrogen and helium atoms). The forbidden transitions are in fact allowed by higher-order processes where electrons flip their spin. We find that the relaxation time is about 200 micro s for forbidden transitions, 4 to 5 orders of magnitude longer than for allowed transitions. This indicates that the spin degree of freedom is well separated from the orbital degree of freedom, and that the total spin in the quantum dots is an excellent quantum number. This is an encouraging result for potential applications of quantum dots as basic entities for spin-based quantum information storage.     

用近似模型计算氦原子和类氦离子的基态能量

用一个高度的近似模型计算氦原子和类氦离子的基态能量,给出了形式简洁、精度较高的双电子原子基态能量公式E0=-(1/2)Z2-(1/2)(Z-(2/π))2和电离能公式E1=(1/2)(Z-(1/π))2.     

我国核电发展与核燃料循环情景研究

我国确定了“积极推进核电建设”的方针,到2020年核电装机将达到40GWe。之后,为了满足持续增长的国家能源需求,核电规模还将扩大。为了保障我国核电的可持续发展,必须建设配套的核燃料循环设施。对2035年前压水堆核电站天然铀资源、铀浓缩和燃料制造能力的需求情况、核电站产生的乏燃料量,以及乏燃料中含钚量进行了预测,探讨了乏燃料后处理和分离钚再循环方式对减少我国未来核电的天然铀需求和核废物积累的影响。     

Nonlinear optics in the extreme ultraviolet

Nonlinear responses to an optical field are universal in nature but have been difficult to observe in the extreme ultraviolet (XUV) and soft X-ray regions owing to a lack of coherent intense light sources. High harmonic generation is a well-known nonlinear optical phenomenon and is now drawing much attention in attosecond pulse generation. For the application of high harmonics to nonlinear optics in the XUV and soft X-ray regime, optical pulses should have both large pulse energy and short pulse duration to achieve a high optical electric field. Here we show the generation of intense isolated pulses from a single harmonic (photon energy 27.9 eV) by using a sub-10-femtosecond blue laser pulse, producing a large dipole moment at the relatively low (ninth) harmonic order nonadiabatically. The XUV pulses with pulse durations of 950 attoseconds and 1.3 femtoseconds were characterized by an autocorrelation technique, based on two-photon above-threshold ionization of helium atoms. Because of the small cross-section for above-threshold ionization, such an autocorrelation measurement of XUV pulses with photon energy larger than the ionization energy of helium has not hitherto been demonstrated. The technique can be extended to the characterization of higher harmonics at shorter wavelengths.