Collision cascade
કન્ડેન્સ્ડ-મેટર ભૌતિકશાસ્ત્રમાં, અથડામણ કાસ્કેડ (વિસ્થાપન કાસ્કેડ અથવા વિસ્થાપન સ્પાઇક તરીકે પણ ઓળખાય છે) એ નજીકના નજીકના ઊર્જાસભર (સામાન્ય ઉષ્મીય ઊર્જા કરતા ઘણી વધારે) ઘન અથવા પ્રવાહીમાં ઊર્જાસભર કણો દ્વારા પ્રેરિત અણુઓની અથડામણનો સમૂહ છે. જો અથડામણના કાસ્કેડમાં મહત્તમ અણુ અથવા આયન ઊર્જા સામગ્રીની થ્રેશોલ્ડ વિસ્થાપન ઊર્જા (દસ ઇ. વી. અથવા વધુ) કરતા વધારે હોય, તો અથડામણ તેમના જાળીના સ્થળોમાંથી અણુઓને કાયમી ધોરણે વિસ્થાપિત કરી શકે છે અને ખામી પેદા કરી શકે છે. પ્રારંભિક ઊર્જાસભર અણુ હોઈ શકે છે, દા. ત., કણ પ્રવેગકમાંથી આયન, પસાર થતા ઉચ્ચ-ઊર્જા ન્યુટ્રોન, ઇલેક્ટ્રોન અથવા ફોટોન દ્વારા ઉત્પન્ન થયેલ અણુ પુનરાવર્તન, અથવા જ્યારે કિરણોત્સર્ગી ન્યુક્લિયસ ક્ષીણ થાય છે અને અણુને પુનરાવર્તન ઊર્જા આપે છે ત્યારે ઉત્પન્ન થાય છે. અથડામણના ઝરણાની પ્રકૃતિ પુનરાવર્તન/આવતા આયનની ઊર્જા અને દળ અને સામગ્રીની ઘનતા (અટકાવવાની શક્તિ) ના આધારે મજબૂત રીતે બદલાઈ શકે છે. લીનિયર કાસ્કેડ્સ જ્યારે પ્રારંભિક રીકોઇલ/આયન સમૂહ ઓછો હોય છે, અને જ્યાં કાસ્કેડ થાય છે તે સામગ્રીની ઘનતા ઓછી હોય છે (એટલે કે. રીકોઇલ-મટિરિયલ સંયોજનમાં ઓછી અટકવાની શક્તિ હોય છે), પ્રારંભિક રીકોઇલ અને નમૂનાના અણુઓ વચ્ચે અથડામણ ભાગ્યે જ થાય છે, અને અણુઓ વચ્ચે સ્વતંત્ર દ્વિસંગી અથડામણના ક્રમ તરીકે સારી રીતે સમજી શકાય છે. દ્વિસંગી અથડામણ અંદાજ (બી. સી. એ.) સિમ્યુલેશન અભિગમનો ઉપયોગ કરીને આ પ્રકારના કાસ્કેડની સૈદ્ધાંતિક રીતે સારી રીતે સારવાર કરી શકાય છે. દાખલા તરીકે, 10 કે. વી. થી ઓછી ઊર્જા ધરાવતા H અને He આયનો તમામ પદાર્થોમાં શુદ્ધ રેખીય ઝરણાં તરફ દોરી જાય તેવી અપેક્ષા રાખી શકાય છે. સૌથી સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા બી. સી. એ. કોડ એસ. આર. આઈ. એમ. નો ઉપયોગ 1 જી. ઈ. વી. ની આયન ઊર્જા સુધીની તમામ સામગ્રીમાં તમામ આયન માટે અવ્યવસ્થિત સામગ્રીમાં રેખીય અથડામણ કાસ્કેડ્સનું અનુકરણ કરવા માટે થઈ શકે છે. જો કે, નોંધ લો કે એસ. આર. આઈ. એમ. ઇલેક્ટ્રોનિક ઊર્જા સંચયને કારણે થતા નુકસાન અથવા ઉત્તેજિત ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા ઉત્પન્ન થતા નુકસાન જેવી અસરોની સારવાર કરતું નથી. ઉપયોગમાં લેવાતી પરમાણુ અને ઇલેક્ટ્રોનિક અટકાવવાની શક્તિઓ પ્રયોગો માટે સરેરાશ બંધબેસે છે, અને આમ તે સંપૂર્ણપણે સચોટ પણ નથી. દ્વિસંગી અથડામણ અંદાજ અથવા મોલેક્યુલર ડાયનેમિક્સ (એમ. ડી.) સિમ્યુલેશનમાં ઇલેક્ટ્રોનિક સ્ટોપિંગ પાવરનો સહેલાઈથી સમાવેશ કરી શકાય છે. એમ. ડી. સિમ્યુલેશનમાં તેઓ કાં તો ઘર્ષણ બળ તરીકે અથવા વધુ અદ્યતન રીતે ઇલેક્ટ્રોનિક સિસ્ટમોની ગરમીને અનુસરીને અને ઇલેક્ટ્રોનિક અને અણુ ડિગ્રી ઓફ ફ્રીડમને જોડીને પણ સામેલ કરી શકાય છે. જો કે, ઇલેક્ટ્રોનિક સ્ટોપિંગ પાવર અથવા ઇલેક્ટ્રોન-ફોનોન કપલિંગની યોગ્ય ઓછી-ઊર્જા મર્યાદા શું છે તેના પર અનિશ્ચિતતા રહે છે. રેખીય કાસ્કેડ્સમાં નમૂનામાં ઉત્પન્ન થયેલા રિકોઇલના સમૂહને મૂળ અથડામણ પછી કેટલા અથડામણના પગલાં પસાર થયા છે તેના આધારે રિકોઇલ પેઢીઓના ક્રમ તરીકે વર્ણવી શકાય છેઃ પ્રાથમિક નોક-ઓન અણુઓ (પી. કે. એ.), ગૌણ નોક-ઓન અણુઓ (એસ. કે. એ.), તૃતીય નોક-ઓન અણુઓ (ટી. કે. એ.), વગેરે. કારણ કે તે અત્યંત અસંભવિત છે કે તમામ ઊર્જા નોક-ઓન અણુમાં સ્થાનાંતરિત થશે, પુનરાવર્તન અણુઓની દરેક પેઢી અગાઉની સરખામણીમાં સરેરાશ ઓછી ઊર્જા ધરાવે છે, અને છેવટે નોક-ઓન અણુ ઊર્જા નુકસાન ઉત્પાદન માટે થ્રેશોલ્ડ વિસ્થાપન ઊર્જાથી નીચે જાય છે, જે સમયે કોઈ વધુ નુકસાન ઉત્પન્ન કરી શકાતું નથી. હીટ સ્પાઇક્સ (થર્મલ સ્પાઇક્સ) જ્યારે આયન પૂરતા પ્રમાણમાં ભારે અને ઊર્જાસભર હોય છે, અને સામગ્રી ગાઢ હોય છે, ત્યારે આયન વચ્ચેની અથડામણ એકબીજાની એટલી નજીક થઈ શકે છે કે તેમને એકબીજાથી સ્વતંત્ર ગણી શકાય નહીં. આ કિસ્સામાં પ્રક્રિયા સેંકડો અને હજારો અણુઓ વચ્ચે બહુવિધ-શરીરની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાની એક જટિલ પ્રક્રિયા બની જાય છે, જેની સારવાર બી. સી. એ. સાથે કરી શકાતી નથી, પરંતુ મોલેક્યુલર ડાયનેમિક્સ પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરીને તેનું મોડેલિંગ કરી શકાય છે. સામાન્ય રીતે, હીટ સ્પાઇકની લાક્ષણિકતા કાસ્કેડના કેન્દ્રમાં ક્ષણિક અન્ડરડેન્સ પ્રદેશની રચના અને તેની આસપાસના વધુ પડતા પ્રદેશ દ્વારા દર્શાવવામાં આવે છે. સેઇટ્ઝ |author2 = J. એસ. કોહલર |year = 1956 |chapter = ઇરેડિયેશન દરમિયાન અણુઓનું વિસ્થાપન |editor1 = F. સેઇટ્ઝ |editor2 = D. ટર્નબુલ |title = સોલિડ સ્ટેટ ફિઝિક્સ |volume = 2 |page = 307 |publisher = એકેડેમિક પ્રેસ |oclc = |isbn =} જો ગાઢ અથડામણના પ્રદેશમાં અણુઓની ગતિ ઊર્જાની તાપમાનમાં પુનઃગણતરી કરવામાં આવે (મૂળભૂત સમીકરણ E = 3/2·N·kBT નો ઉપયોગ કરીને), તો કોઈ શોધી કાઢે છે કે તાપમાનના એકમોમાં ગતિ ઊર્જા શરૂઆતમાં 10,000 K ના ક્રમમાં હોય છે. આ કારણે, આ પ્રદેશને ખૂબ જ ગરમ ગણી શકાય, અને તેથી તેને હીટ સ્પાઇક અથવા થર્મલ સ્પાઇક કહેવામાં આવે છે (બે શબ્દો સામાન્ય રીતે સમકક્ષ માનવામાં આવે છે). હીટ સ્પાઇક 1-100 ps માં આસપાસના તાપમાન સુધી ઠંડુ થાય છે, તેથી અહીં "તાપમાન" થર્મોડાયનેમિક સંતુલન તાપમાનને અનુરૂપ નથી. જો કે, એવું દર્શાવવામાં આવ્યું છે કે લગભગ 3 જાળીના સ્પંદનો પછી, ઉષ્મા સ્પાઇકમાં અણુઓની ગતિ ઊર્જાનું વિતરણ મેક્સવેલ-બોલ્ટ્ઝમેન વિતરણ ધરાવે છે, જે તાપમાનના ખ્યાલનો ઉપયોગ કંઈક અંશે વાજબી બનાવે છે. વધુમાં, પ્રયોગોએ દર્શાવ્યું છે કે હીટ સ્પાઇક તબક્કા સંક્રમણને પ્રેરિત કરી શકે છે જેને ખૂબ ઊંચા તાપમાનની જરૂર હોવાનું જાણીતું છે, જે દર્શાવે છે કે અથડામણના કાસ્કેડ્સનું વર્ણન કરવામાં (બિન-સંતુલન) તાપમાનનો ખ્યાલ ખરેખર ઉપયોગી છે. ઘણા કિસ્સાઓમાં, સમાન ઇરેડિયેશન સ્થિતિ રેખીય કાસ્કેડ અને હીટ સ્પાઇક્સનું સંયોજન છે. ઉદાહરણ તરીકે, 10 એમઇવી ક્યુ આયન જે ક્યુ પર બોમ્બમારો કરે છે તે શરૂઆતમાં રેખીય કાસ્કેડ શાસનમાં જાળીમાં આગળ વધશે, કારણ કે પરમાણુ અટકાવવાની શક્તિ ઓછી છે. પરંતુ એકવાર ક્યુ આયન પૂરતા પ્રમાણમાં ધીમું થઈ જશે, ત્યારે પરમાણુ અટકાવવાની શક્તિ વધશે અને ગરમીમાં વધારો થશે. વધુમાં, આવતા આયનોના ઘણા પ્રાથમિક અને ગૌણ પુનરાવર્તનોમાં સંભવતઃ કેવી શ્રેણીમાં ઊર્જા હોય છે અને આમ ગરમીમાં વધારો થાય છે. દાખલા તરીકે, તાંબાના તાંબાના ઇરેડિયેશન માટે, લગભગ 5-20 KeV ની રિકોઇલ ઊર્જા ગરમીના સ્પાઇક્સ ઉત્પન્ન કરવાની લગભગ ખાતરી આપે છે. નીચી ઊર્જા પર, પ્રવાહી જેવા ઝોનનું ઉત્પાદન કરવા માટે કાસ્કેડ ઊર્જા ખૂબ ઓછી હોય છે. ઘણી ઊંચી ઊર્જાઓ પર, ક્યુ આયનો મોટે ભાગે શરૂઆતમાં રેખીય કાસ્કેડ તરફ દોરી જશે, પરંતુ પુનરાવર્તનો ગરમીના સ્પાઇક્સ તરફ દોરી શકે છે, જેમ કે પ્રારંભિક આયન એકવાર તે પૂરતું ધીમું થઈ જાય. ખ્યાલ સબકેસ્કેડ બ્રેકડાઉન થ્રેશોલ્ડ એનર્જી "એ ઊર્જાને સૂચવે છે જેની ઉપર સામગ્રીમાં પુનરાવર્તન એક ગાઢને બદલે અનેક અલગ ગરમી સ્પાઇક્સ ઉત્પન્ન કરે તેવી શક્યતા છે. હીટ સ્પાઇક શાસનમાં અથડામણના કાસ્કેડ્સના કમ્પ્યુટર સિમ્યુલેશન આધારિત એનિમેશન યુટ્યુબ પર ઉપલબ્ધ છે. સ્વિફ્ટ હેવી આયન થર્મલ સ્પાઇક્સ સ્વિફ્ટ હેવી આયન, એટલે કે. એમ. ઇ. વી. અને જી. ઇ. વી. ભારે આયનો કે જે ખૂબ જ મજબૂત ઇલેક્ટ્રોનિક સ્ટોપિંગ દ્વારા નુકસાન પહોંચાડે છે, તે થર્મલ સ્પાઇક્સ ઉત્પન્ન કરે છે તે અર્થમાં પણ ગણી શકાય કે તેઓ મજબૂત જાળી ગરમી અને ક્ષણિક અવ્યવસ્થિત અણુ ઝોન તરફ દોરી જાય છે. જો કે, કુલમ્બ વિસ્ફોટ પદ્ધતિની દ્રષ્ટિએ નુકસાનના ઓછામાં ઓછા પ્રારંભિક તબક્કાને વધુ સારી રીતે સમજી શકાય છે. હીટિંગ મિકેનિઝમ ગમે તે હોય, તે સારી રીતે સ્થાપિત છે કે ઇન્સ્યુલેટરમાં ઝડપી ભારે આયનો સામાન્ય રીતે આયન ટ્રેક ઉત્પન્ન કરે છે જે ઓછી ઘનતાના લાંબા નળાકાર નુકસાન ઝોન બનાવે છે. સમય સ્કેલ અથડામણના કાસ્કેડની પ્રકૃતિને સમજવા માટે, સંકળાયેલ સમય સ્કેલને જાણવું ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ છે. કાસ્કેડનો બેલિસ્ટિક તબક્કો, જ્યારે પ્રારંભિક આયન/રીકોઇલ અને તેના પ્રાથમિક અને નીચલા ક્રમના રીકોઇલમાં ઊર્જા થ્રેશોલ્ડ વિસ્થાપન ઊર્જાથી ઉપર હોય છે, ત્યારે સામાન્ય રીતે 0.1-0.5 ps રહે છે. જો હીટ સ્પાઇક રચાય છે, તો તે કેટલાક 1-100 ps સુધી જીવી શકે છે જ્યાં સુધી સ્પાઇક તાપમાન અનિવાર્યપણે આસપાસના તાપમાનમાં ઠંડુ ન થાય. ગરમ આયનીય સબસિસ્ટમે ઇલેક્ટ્રોન-ફોનોન જોડાણ દ્વારા ઇલેક્ટ્રોનિકને ગરમ કર્યા પછી કાસ્કેડનું ઠંડક જાળી ગરમી વાહકતા દ્વારા અને ઇલેક્ટ્રોનિક ગરમી વાહકતા દ્વારા થાય છે. કમનસીબે ગરમ અને અવ્યવસ્થિત આયનીય પ્રણાલીમાંથી ઇલેક્ટ્રોન-ફોનોન જોડાણનો દર સારી રીતે જાણીતો નથી, કારણ કે તેને ગરમ ઇલેક્ટ્રોનમાંથી અખંડ સ્ફટિક માળખામાં ગરમીના સ્થાનાંતરણની એકદમ જાણીતી પ્રક્રિયા સાથે સમાન રીતે ગણી શકાય નહીં. છેવટે, કાસ્કેડનો છૂટછાટ તબક્કો, જ્યારે ખામીઓ રચાય છે તે સંભવતઃ ફરીથી જોડાય છે અને સ્થળાંતર કરે છે, તે સામગ્રી, તેના ખામી સ્થળાંતર અને પુનઃસંયોજન ગુણધર્મો અને આસપાસના તાપમાનના આધારે થોડા પી. એસ. થી અનંત સમય સુધી ટકી શકે છે. અસરો નુકસાન ઉત્પાદન કાસ્કેડમાં ગતિ ઊર્જા ખૂબ વધારે હોઈ શકે છે, તેથી તે સામગ્રીને સ્થાનિક રીતે થર્મોડાયનેમિક સંતુલનની બહાર લઈ જઈ શકે છે. સામાન્ય રીતે આ ખામીયુક્ત ઉત્પાદનમાં પરિણમે છે. ખામીઓ હોઈ શકે છે, દા. ત., ફ્રેન્કેલ જોડી જેવી બિંદુ ખામીઓ, ક્રમબદ્ધ અથવા અવ્યવસ્થિત અવ્યવસ્થા લૂપ્સ, સ્ટેકિંગ ફોલ્ટ અથવા આકારહીન ઝોન. ઘણી સામગ્રીઓનું લાંબા સમય સુધી કિરણોત્સર્ગ તેમના સંપૂર્ણ અમોર્ફિઝેશન તરફ દોરી શકે છે, જે અસર સિલિકોન ચિપ્સના આયન પ્રત્યારોપણ ડોપિંગ દરમિયાન નિયમિતપણે થાય છે. ખામીનું ઉત્પાદન હાનિકારક હોઈ શકે છે, જેમ કે પરમાણુ વિખંડન અને ફ્યુઝન રિએક્ટરમાં જ્યાં ન્યુટ્રોન ધીમે ધીમે સામગ્રીના યાંત્રિક ગુણધર્મોને ઘટાડે છે, અથવા ઉપયોગી અને ઇચ્છિત સામગ્રી સુધારણા અસર, દા. ત., જ્યારે લેસરની કામગીરીને ઝડપી બનાવવા માટે અર્ધચાલક ક્વોન્ટમ કૂવાના માળખામાં આયનો દાખલ કરવામાં આવે છે. અથવા કાર્બન નેનોટ્યુબ્સને મજબૂત કરવા. અથડામણના ઝરણાનું એક વિચિત્ર લક્ષણ એ છે કે ઉત્પન્ન થયેલ નુકસાનની અંતિમ માત્રા ગરમીના સ્પાઇક્સથી શરૂઆતમાં અસરગ્રસ્ત અણુઓની સંખ્યા કરતાં ઘણી ઓછી હોઈ શકે છે. ખાસ કરીને શુદ્ધ ધાતુઓમાં, હીટ સ્પાઇક તબક્કા પછી અંતિમ નુકસાનનું ઉત્પાદન સ્પાઇકમાં વિસ્થાપિત થયેલા અણુઓની સંખ્યા કરતાં ઓછી માત્રામાં હોઈ શકે છે. બીજી બાજુ, સેમિકન્ડક્ટર્સ અને અન્ય સહસંયોજક બંધાયેલા પદાર્થોમાં નુકસાનનું ઉત્પાદન સામાન્ય રીતે વિસ્થાપિત અણુઓની સંખ્યા જેવું જ હોય છે. આયનીય પદાર્થો પુનઃસંયોજિત નુકસાનના અપૂર્ણાંકના સંદર્ભમાં ધાતુઓ અથવા અર્ધવાહક પદાર્થોની જેમ વર્તે છે. અન્ય પરિણામો સપાટીની નજીકમાં અથડામણના ઝરણાંઓ ઘણીવાર રેખીય સ્પાઇક અને હીટ સ્પાઇક શાસન બંનેમાં સ્પટરિંગ તરફ દોરી જાય છે. સપાટીની નજીક ગરમીના સ્પાઇક્સ પણ વારંવાર ખાડોની રચના તરફ દોરી જાય છે. આ ક્રેટરિંગ અણુઓના પ્રવાહી પ્રવાહને કારણે થાય છે, પરંતુ જો આશરે 100,000 અણુઓથી ઉપરનું પ્રક્ષેપ્ય કદ હોય, તો ક્રેટર ઉત્પાદન પદ્ધતિ ગોળીઓ અથવા એસ્ટરોઇડ્સ દ્વારા ઉત્પાદિત મેક્રોસ્કોપિક ક્રેટરની સમાન પદ્ધતિમાં ફેરવાય છે. હકીકત એ છે કે ઘણા અણુઓ કાસ્કેડ દ્વારા વિસ્થાપિત થાય છે તેનો અર્થ એ છે કે આયનોનો ઉપયોગ ઇરાદાપૂર્વક સામગ્રીને મિશ્રિત કરવા માટે થઈ શકે છે, તે સામગ્રી માટે પણ જે સામાન્ય રીતે થર્મોડાયનેમિકલી અમિશ્રાવ્ય હોય છે. આ અસરને આયન બીમ મિશ્રણ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. ઇરેડિયેશનની બિન-સંતુલન પ્રકૃતિનો ઉપયોગ થર્મોડાયનેમિક સંતુલનમાંથી સામગ્રીને બહાર કાઢવા માટે પણ થઈ શકે છે, અને આમ નવા પ્રકારના મિશ્રધાતુઓ બનાવી શકાય છે. આ પણ જુઓ કણ શાવર, ઉચ્ચ-ઊર્જા કણો વચ્ચે દ્વિસંગી અથડામણોનો સમૂહ જેમાં ઘણીવાર પરમાણુ પ્રતિક્રિયાઓ સામેલ હોય છે રેડિયેશન મટિરિયલ સાયન્સ COSIRES પરિષદ સંદર્ભો બાહ્ય કડીઓ કન્ડેન્સ્ડ મેટર ફિઝિક્સ રેડિયેશન અસરો