Defect formation simulated by track structure calculation model

飛跡構造解析モデルを使った欠陥生成のシミュレーション

小川 達彦   ; 岩元 洋介   

Ogawa, Tatsuhiko; Iwamoto, Yosuke

原子欠陥は固体の照射効果を決定する重要な要素である。入射放射線やその二次粒子の撃力によって原子が弾き出されると、その標的物質の機械的・電気的。化学的性質が変化する。PHITSのDPAタリーのように、非弾性核反応断面積やラザフォード散乱断面積を元にした欠陥生成計算モデルは存在するが、巨視的な平均的欠陥密度の計算に用いられ、転移のように欠陥の空間的配置に影響される現象の計算には直接使えない問題があった。そこで本研究では、原子力機構が開発する汎用放射線輸送計算コードPHITSの飛跡構造解析コードITSARTを応用し、放射線による原子欠陥の空間的配置を計算した。ITSARTは原子の弾性散乱を含め、荷電粒子の反応をナノスケールで一個づつ計算することができるため、欠陥を生じるような反応を個として識別した計算が可能である。まず精度検証のためITSARTにより銅のDPA(Displacement Per Atom)を計算したところ、文献値と合致することが確認できた。同じ方法を用いて600MeVの陽子線に照射されたSiOで、欠陥の空間的配置を計算することに成功した。ユーザーはPHITSの出力を分子動力学モデルなどの後段の計算に送ることで、欠陥の更なる時間発展を計算することが可能になると期待される。

Atomic defect is one of the critical factors that determines the irradiation effects in materials. The atoms are recoiled by the impulse of incoming radiation, which changes the mechanical, electrical and chemical properties of the target materials. Methods to calculate atomic displacement based on nuclear reaction cross sections and Rutherford scattering cross sections were proposed but they were dedicated to calculation of the defect density in macroscopic scale whereas some phenomena are attributed to the topological arrangements of defects in microscopic scale. Application of a track-structure calculation model, ITSART implemented to a general-purpose radiation transport code PHITS for calculation of the topological arrangement of radiation-induced defects is proposed in this study. To verify the defect production calculated by ITSART, DPA (Displacement Per Atom) cross section in Cu was calculated and compared with literature data. The agreement indicates the accuracy of ITSART for calculating atomic displacement. By using the same methodology to a smaller volume, the defects in SiO exposed to 600 MeV proton beam was calculated. PHITS users can make use of the outputs by forwarding them to other tools, such as molecular dynamics codes, to analyse the further evolution of the defects.