PKA (irradiación)

En física de la materia condensada , un átomo primario de retroceso ( PKA , por sus siglas en inglés) es un átomo que se desplaza de su posición en la red cristalina debido a la irradiación ; por definición, es el primer átomo con el que se encuentra una partícula incidente en el blanco. Tras ser desplazado de su posición inicial en la red, el PKA puede inducir desplazamientos posteriores de otros átomos si posee suficiente energía ( energía umbral de desplazamiento ), o bien, quedar en reposo en una posición intersticial de la red si no la posee ( defecto intersticial ).

La mayoría de los átomos desplazados resultantes de la irradiación con electrones y otros tipos de irradiación son PKAs, ya que estos suelen estar por debajo de la energía umbral de desplazamiento y, por lo tanto, no tienen energía suficiente para desplazar más átomos. En otros casos, como la irradiación con neutrones rápidos , la mayoría de los desplazamientos resultan de PKAs de mayor energía que colisionan con otros átomos a medida que disminuyen su velocidad hasta detenerse . ^{[ 1 ]}

Los átomos solo pueden ser desplazados si, al ser bombardeados, la energía que reciben supera un umbral de energía E _d . Del mismo modo, cuando un átomo en movimiento colisiona con un átomo estacionario, ambos átomos tendrán una energía mayor que E _d después de la colisión solo si el átomo en movimiento original tenía una energía mayor que 2 E _d . Por lo tanto, solo los PKA con una energía mayor que 2 E _d pueden continuar desplazando más átomos y aumentar el número total de átomos desplazados. ^{[ 1 ]} En los casos en que el PKA tiene suficiente energía para desplazar más átomos, la misma verdad se aplica a cualquier átomo desplazado posteriormente.

En cualquier caso, la mayoría de los átomos desplazados abandonan sus posiciones reticulares con energías no superiores a dos o tres veces E _d . Dicho átomo colisionará con otro átomo aproximadamente cada vez que recorra una distancia interatómica media, perdiendo la mitad de su energía durante la colisión promedio. Suponiendo que un átomo que se ha ralentizado hasta alcanzar una energía cinética de 1 eV queda atrapado en una posición intersticial, los átomos desplazados normalmente quedarán atrapados a no más de unas pocas distancias interatómicas de las vacantes que dejan atrás. ^{[ 1 ]} 

Existen varios escenarios posibles para la energía de los PKA, y estos dan lugar a diferentes formas de daño. En el caso del bombardeo de electrones o rayos gamma , el PKA generalmente no tiene energía suficiente para desplazar más átomos. El daño resultante consiste en una distribución aleatoria de defectos de Frenkel , generalmente con una distancia no mayor a cuatro o cinco distancias interatómicas entre el intersticial y la vacante. Cuando los PKA reciben energía mayor que E _d de los electrones de bombardeo, son capaces de desplazar más átomos, y algunos de los defectos de Frenkel se convierten en grupos de átomos intersticiales con vacantes correspondientes, a unas pocas distancias interatómicas entre sí. En el caso del bombardeo de átomos o iones de alta velocidad, se producen grupos de vacantes y átomos intersticiales ampliamente separados a lo largo de la trayectoria del átomo o ion. A medida que el átomo disminuye su velocidad, la sección transversal para producir PKA aumenta, lo que da como resultado grupos de vacantes e intersticiales concentrados al final de la trayectoria. ^{[ 1 ]}

Un pico térmico es una región en la que una partícula en movimiento calienta el material que rodea su trayectoria a través del sólido durante tiempos del orden de 10⁻¹² ^s . En su trayectoria, un PKA puede producir efectos similares a los del calentamiento y enfriamiento rápido de un metal, lo que da lugar a defectos de Frenkel. Un pico térmico no dura lo suficiente como para permitir el recocido de los defectos de Frenkel. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Se propuso un modelo diferente, denominado pico de desplazamiento, para el bombardeo de elementos pesados ​​con neutrones rápidos. Con PKA de alta energía, la región afectada se calienta a temperaturas superiores al punto de fusión del material, y en lugar de considerar colisiones individuales, se podría considerar que todo el volumen afectado se "funde" durante un breve período de tiempo. Los términos "fundir" y "líquido" se utilizan aquí de forma imprecisa, ya que no está claro si el material a tales temperaturas y presiones sería un líquido o un gas denso. Al fundirse, los intersticiales y vacantes anteriores se convierten en "fluctuaciones de densidad", puesto que los puntos de la red circundantes ya no existen en estado líquido. En el caso de un pico térmico, la temperatura no es lo suficientemente alta como para mantener el estado líquido el tiempo suficiente para que las fluctuaciones de densidad se relajen y se produzca el intercambio interatómico. Un rápido efecto de "enfriamiento" da como resultado pares vacante-intersticial que persisten durante la fusión y la resolidificación. Hacia el final de la trayectoria de un PKA, la tasa de pérdida de energía se vuelve lo suficientemente alta como para calentar el material muy por encima de su punto de fusión. Mientras el material se funde, se produce un intercambio atómico como resultado del movimiento aleatorio de los átomos, iniciado por la relajación de las tensiones locales debidas a las fluctuaciones de densidad. Esto libera la energía almacenada en dichas tensiones, lo que eleva aún más la temperatura y mantiene brevemente el estado líquido una vez que desaparecen la mayoría de las fluctuaciones de densidad. Durante este tiempo, los movimientos turbulentos continúan, de modo que, al solidificarse de nuevo, la mayoría de los átomos ocuparán nuevos sitios de la red cristalina. Estas regiones se denominan picos de desplazamiento, que, a diferencia de los picos térmicos, no conservan defectos de Frenkel. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Según estas teorías, deberían existir dos regiones distintas, cada una con un tipo diferente de daño, a lo largo de la trayectoria de un PKA. Debería producirse un pico térmico en la parte inicial de la trayectoria, y esta región de alta energía retiene pares vacancia-intersticial. Debería haber un pico de desplazamiento hacia el final de la trayectoria, una región de baja energía donde los átomos se han movido a nuevos sitios de la red, pero no se retienen pares vacancia-intersticial. ^{[ 2 ]}

La estructura del daño por cascada depende en gran medida de la energía PKA, por lo que el espectro de energía PKA debe utilizarse como base para evaluar los cambios microestructurales bajo daño por cascada. En láminas delgadas de oro, a dosis de bombardeo más bajas, las interacciones de las cascadas son insignificantes, y tanto los cúmulos de vacantes visibles como las regiones invisibles ricas en vacantes se forman por secuencias de colisión de cascadas. Se encontró que la interacción de las cascadas a dosis más altas produce nuevos cúmulos cerca de grupos existentes de cúmulos de vacantes, convirtiendo aparentemente regiones invisibles ricas en vacantes en cúmulos de vacantes visibles. Estos procesos dependen de la energía PKA, y a partir de tres espectros PKA obtenidos de neutrones de fisión, autoiones de 21 MeV y neutrones de fusión, se estimó que la energía PKA mínima requerida para producir nuevos cúmulos visibles por interacción es de 165 keV. ^{[ 3 ]}

• Defecto de vacante
• defecto intersticial