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Computer simulation of structural modifications induced by highly energetic ions in uranium dioxide

高エネルギーイオンによるウラン酸化物の構造変化のコンピュータシミュレーション

篠嶋 妥*; 長田 卓也*; 石川 法人; 岩瀬 彰宏*

Sasajima, Yasushi*; Osada, Takuya*; Ishikawa, Norito; Iwase, Akihiro*

高エネルギーイオン照射による単結晶ウラン酸化物における結晶構造変化について、分子動力学法によって計算シミュレーションを行った。具体的には、一つのイオンが試料内を通過して試料に高密度のエネルギーが付与されることによって最終的に結晶構造がどう変化するかを調べるために、高密度のエネルギーを試料中心部のナノメートル半径の柱状領域だけに付与し、その時点から数psecまでの試料全体の結晶構造の変化を調べた。sub-psecの時間範囲においては、エネルギーを付与した領域だけでなく周りの原子まで運動エネルギーが分配され、比較的大きい柱状領域内の結晶構造が崩れて非晶質になった。さらに数psecまで時間が進むと、非晶質だった領域の周辺部から結晶性が急速に回復し、最終的には狭い領域が結晶性の乱れた領域として残るということが分かった。ウラン副格子はほぼ完全に回復し、酸素副格子だけが結晶性の乱れた状態として残ることもわかった。付与したエネルギー付与密度と、最終的に残る結晶性の乱れた柱状領域の寸法との関係が、定性的には熱スパイクモデルで予測される関数系と一致することがわかった。

The structural modification caused by the high-energy-ion irradiation of single-crystalline uranium dioxide was simulated by the molecular dynamics method. As the initial condition, high kinetic energy was supplied to the individual atoms within a cylindrical region of nanometer-order radius located in the center of the specimen. The potential proposed by Basak et al. was utilized to calculate interaction between atoms. The supplied kinetic energy was first spent to change the crystal structure into an amorphous one within a short period of about 0.3 ps, then it dissipated in the specimen. The amorphous track radius $$R_{rm a}$$ was determined as a function of the effective stopping power $$g$$$$S_{rm e}$$, i.e., the kinetic energy of atoms per unit length created by ion irradiation ($$S_{rm e}$$: electronic stopping power, $$g$$: energy transfer ratio from stopping power to lattice vibration energy).

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