Collision cascade
संघनित पदार्थ भौतिकी में, टकराव कैस्केड (जिसे विस्थापन कैस्केड या विस्थापन स्पाइक के रूप में भी जाना जाता है) एक ठोस या तरल में एक ऊर्जावान कण द्वारा प्रेरित परमाणुओं के निकटवर्ती ऊर्जावान (सामान्य तापीय ऊर्जा की तुलना में बहुत अधिक) टकराव का एक समूह है। यदि टकराव कैस्केड में अधिकतम परमाणु या आयन ऊर्जा सामग्री की सीमा विस्थापन ऊर्जा (दसियों ई. वी. या उससे अधिक) से अधिक है, तो टकराव परमाणुओं को उनके जाली स्थलों से स्थायी रूप से विस्थापित कर सकते हैं और दोष पैदा कर सकते हैं। प्रारंभिक ऊर्जावान परमाणु, उदाहरण के लिए, एक कण त्वरक से एक आयन, एक गुजरने वाले उच्च-ऊर्जा न्यूट्रॉन, इलेक्ट्रॉन या फोटॉन द्वारा उत्पादित एक परमाणु पुनरावृत्ति हो सकता है, या तब उत्पन्न किया जा सकता है जब एक रेडियोधर्मी नाभिक क्षय होता है और परमाणु को एक पुनरावर्तन ऊर्जा देता है। टकराव कैस्केड की प्रकृति पुनरावृत्ति/आने वाले आयन की ऊर्जा और द्रव्यमान और सामग्री के घनत्व (रोकने की शक्ति) के आधार पर दृढ़ता से भिन्न हो सकती है। रैखिक कैस्केड जब प्रारंभिक पुनरावृत्ति/आयन द्रव्यमान कम होता है, और जिस सामग्री में कैस्केड होता है, उसका घनत्व कम होता है (अर्थात। पुनरावृत्ति-सामग्री संयोजन में कम रुकने की शक्ति होती है), प्रारंभिक पुनरावर्तन और नमूना परमाणुओं के बीच टकराव शायद ही कभी होता है, और परमाणुओं के बीच स्वतंत्र द्विआधारी टकराव के अनुक्रम के रूप में अच्छी तरह से समझा जा सकता है। द्विआधारी टक्कर सन्निकटन (बी. सी. ए.) अनुकरण दृष्टिकोण का उपयोग करके इस तरह के कैस्केड का सैद्धांतिक रूप से अच्छी तरह से इलाज किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, 10 केवी से कम ऊर्जा वाले एच और हे आयनों से सभी पदार्थों में विशुद्ध रूप से रैखिक कैस्केड होने की उम्मीद की जा सकती है। सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले बी. सी. ए. कोड एस. आर. आई. एम. का उपयोग 1 जी. ई. वी. की आयन ऊर्जा तक सभी पदार्थों में सभी आयनों के लिए अव्यवस्थित सामग्रियों में रैखिक टकराव कैस्केड का अनुकरण करने के लिए किया जा सकता है। हालाँकि, ध्यान दें कि एस. आर. आई. एम. इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा निक्षेपण या उत्तेजित इलेक्ट्रॉनों द्वारा उत्पादित क्षति जैसे प्रभावों का इलाज नहीं करता है। उपयोग की जाने वाली परमाणु और इलेक्ट्रॉनिक रोक शक्तियाँ प्रयोगों के लिए औसत फिट हैं, और इस प्रकार पूरी तरह से सटीक भी नहीं हैं। इलेक्ट्रॉनिक रुकने की शक्ति को द्विआधारी टकराव सन्निकटन या आणविक गतिकी (एम. डी.) अनुकरण में आसानी से शामिल किया जा सकता है। एम. डी. सिमुलेशन में उन्हें या तो घर्षण बल के रूप में या इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों के ताप का पालन करके और इलेक्ट्रॉनिक और परमाणु डिग्री ऑफ फ्रीडम को जोड़कर अधिक उन्नत तरीके से शामिल किया जा सकता है। हालांकि, इलेक्ट्रॉनिक स्टॉपिंग पावर या इलेक्ट्रॉन-फोनन कपलिंग की उपयुक्त कम-ऊर्जा सीमा क्या है, इस पर अनिश्चितता बनी हुई है। रैखिक कैस्केड में नमूने में उत्पादित पुनरावृत्तियों के समूह को पुनरावर्तन पीढ़ियों के एक क्रम के रूप में वर्णित किया जा सकता है जो इस बात पर निर्भर करता है कि मूल टक्कर के बाद से कितने टकराव के चरण बीत चुके हैंः प्राथमिक नॉक-ऑन परमाणु (पी. के. ए.), माध्यमिक नॉक-ऑन परमाणु (एस. के. ए.), तृतीयक नॉक-ऑन परमाणु (टी. के. ए.), आदि। चूंकि यह अत्यधिक संभावना नहीं है कि सभी ऊर्जा को एक नॉक-ऑन परमाणु में स्थानांतरित किया जाएगा, इसलिए पुनरावृत्ति परमाणुओं की प्रत्येक पीढ़ी में पिछली पीढ़ी की तुलना में औसतन कम ऊर्जा होती है, और अंततः नॉक-ऑन परमाणु ऊर्जा क्षति उत्पादन के लिए सीमा विस्थापन ऊर्जा से नीचे जाती है, जिस बिंदु पर कोई और क्षति उत्पन्न नहीं की जा सकती है। हीट स्पाइक्स (थर्मल स्पाइक्स) जब आयन पर्याप्त भारी और ऊर्जावान होते हैं, और सामग्री घनी होती है, तो आयनों के बीच टकराव एक दूसरे के इतने करीब हो सकते हैं कि उन्हें एक दूसरे से स्वतंत्र नहीं माना जा सकता है। इस मामले में प्रक्रिया सैकड़ों और दसियों हज़ार परमाणुओं के बीच कई-शरीर अंतःक्रियाओं की एक जटिल प्रक्रिया बन जाती है, जिसका इलाज बी. सी. ए. के साथ नहीं किया जा सकता है, लेकिन आणविक गतिकी विधियों का उपयोग करके मॉडल किया जा सकता है। आम तौर पर, एक गर्मी स्पाइक कैस्केड के केंद्र में एक क्षणिक कम घने क्षेत्र के गठन और उसके चारों ओर एक अधिक सघन क्षेत्र की विशेषता है। सीटज़ |author2 = J। एस. कोहलर |year = 1956 |chapter = विकिरण के दौरान परमाणुओं का विस्थापन |editor1 = F। सीटज़ |editor2 = D। टर्नबुल |title = सॉलिड स्टेट फिजिक्स |volume = 2 |page = 307 |publisher = एकेडेमिक प्रेस |oclc = |isbn =} यदि घने टकराव वाले क्षेत्र में परमाणुओं की गतिज ऊर्जा की तापमान में पुनः गणना की जाती है (मूल समीकरण E = 3/2·N·kBT का उपयोग करके), तो पता चलता है कि तापमान की इकाइयों में गतिज ऊर्जा शुरू में 10,000 K के क्रम की होती है। ऊष्मा स्पाइक 1-100 ps में परिवेश के तापमान तक ठंडा हो जाता है, इसलिए यहाँ "तापमान" ऊष्मागतिकीय संतुलन तापमान के अनुरूप नहीं है। हालाँकि, यह दिखाया गया है कि लगभग 3 जाली कंपनों के बाद, ऊष्मा स्पाइक में परमाणुओं के गतिज ऊर्जा वितरण में मैक्सवेल-बोल्टज़मैन वितरण होता है, जिससे तापमान की अवधारणा का उपयोग कुछ हद तक उचित हो जाता है। इसके अलावा, प्रयोगों से पता चला है कि एक गर्मी स्पाइक एक चरण संक्रमण को प्रेरित कर सकता है जिसे बहुत उच्च तापमान की आवश्यकता के लिए जाना जाता है, यह दर्शाता है कि एक (गैर-संतुलन) तापमान की अवधारणा वास्तव में टकराव कैस्केड का वर्णन करने में उपयोगी है। कई मामलों में, एक ही विकिरण स्थिति रैखिक कैस्केड और गर्मी स्पाइक्स का एक संयोजन है। उदाहरण के लिए, क्यू पर बमबारी करने वाले 10 एमईवी क्यू आयन शुरू में एक रैखिक कैस्केड शासन में जाली में आगे बढ़ेंगे, क्योंकि परमाणु रोकने की शक्ति कम है। लेकिन एक बार जब क्यू आयन काफी धीमा हो जाएगा, तो परमाणु रोकने की शक्ति बढ़ेगी और गर्मी में वृद्धि होगी। इसके अलावा, आने वाले आयनों के कई प्राथमिक और द्वितीयक पुनरावृत्तियों में संभवतः केवी सीमा में ऊर्जा होगी और इस प्रकार एक गर्मी स्पाइक का उत्पादन होगा। उदाहरण के लिए, तांबे के तांबे के विकिरण के लिए, लगभग 5-20 KeV की पुनरावृत्ति ऊर्जा लगभग गर्मी स्पाइक्स का उत्पादन करने की गारंटी है। कम ऊर्जा पर, कैस्केड ऊर्जा तरल जैसे क्षेत्र का उत्पादन करने के लिए बहुत कम होती है। बहुत अधिक ऊर्जाओं पर, सी. यू. आयनों के शुरू में एक रैखिक कैस्केड की ओर ले जाने की संभावना है, लेकिन पुनरावृत्ति गर्मी स्पाइक्स का कारण बन सकती है, जैसा कि प्रारंभिक आयन एक बार पर्याप्त धीमा हो जाने के बाद होगा। अवधारणा सबकैस्केड ब्रेकडाउन थ्रेसहोल्ड ऊर्जा "उस ऊर्जा को दर्शाती है जिसके ऊपर एक सामग्री में एक पुनरावृत्ति एकल घने के बजाय कई अलग-अलग गर्मी स्पाइक्स का उत्पादन करने की संभावना है। हीट स्पाइक शासन में टकराव कैस्केड के कंप्यूटर सिमुलेशन-आधारित एनिमेशन यूट्यूब पर उपलब्ध हैं। स्विफ्ट हैवी आयन थर्मल स्पाइक्स स्विफ्ट हैवी आयन, अर्थात। एम. ई. वी. और जी. ई. वी. भारी आयन जो एक बहुत मजबूत इलेक्ट्रॉनिक रोक से क्षति पैदा करते हैं, उन्हें इस अर्थ में थर्मल स्पाइक्स का उत्पादन करने के लिए भी माना जा सकता है कि वे मजबूत जाली ताप और एक क्षणिक अव्यवस्थित परमाणु क्षेत्र की ओर ले जाते हैं। हालाँकि, कुलम्ब विस्फोट तंत्र के संदर्भ में कम से कम क्षति के प्रारंभिक चरण को बेहतर ढंग से समझा जा सकता है। ताप तंत्र चाहे जो भी हो, यह अच्छी तरह से स्थापित है कि इंसुलेटर में तेज भारी आयन आमतौर पर आयन पटरियों का उत्पादन करते हैं जो कम घनत्व के लंबे बेलनाकार क्षति क्षेत्र बनाते हैं। टकराव कैस्केड की प्रकृति को समझने के लिए, संबंधित समय पैमाने को जानना बहुत महत्वपूर्ण है। कैस्केड का बैलिस्टिक चरण, जब प्रारंभिक आयन/रीकोइल और इसके प्राथमिक और निचले क्रम के रीकोइल में ऊर्जा सीमा विस्थापन ऊर्जा से काफी ऊपर होती है, आमतौर पर 0.1-0.5 ps तक रहती है। यदि एक गर्मी स्पाइक बनता है, तो यह कुछ 1-100 ps के लिए जीवित रह सकता है जब तक कि स्पाइक तापमान अनिवार्य रूप से परिवेश के तापमान तक ठंडा नहीं हो जाता है। कैस्केड का ठंडा होना जाली गर्मी चालकता के माध्यम से और इलेक्ट्रॉनिक गर्मी चालकता द्वारा होता है जब गर्म आयनिक उपप्रणाली ने इलेक्ट्रॉन-फोनन युग्मन के माध्यम से इलेक्ट्रॉनिक को गर्म कर दिया होता है। दुर्भाग्य से गर्म और अव्यवस्थित आयनिक प्रणाली से इलेक्ट्रॉन-फोनन युग्मन की दर अच्छी तरह से ज्ञात नहीं है, क्योंकि इसे गर्म इलेक्ट्रॉनों से एक अक्षुण्ण क्रिस्टल संरचना में गर्मी के हस्तांतरण की काफी प्रसिद्ध प्रक्रिया के बराबर नहीं माना जा सकता है। अंत में, कैस्केड का विश्राम चरण, जब दोष संभवतः पुनर्संयोजित और स्थानांतरित होते हैं, तो सामग्री, इसके दोष प्रवास और पुनर्संयोजन गुणों और परिवेश के तापमान के आधार पर कुछ पी. एस. से लेकर अनंत समय तक रह सकते हैं। प्रभाव क्षति उत्पादन चूंकि एक कैस्केड में गतिज ऊर्जा बहुत अधिक हो सकती है, इसलिए यह सामग्री को स्थानीय रूप से ऊष्मागतिकीय संतुलन से बहुत दूर ले जा सकती है। आमतौर पर इसके परिणामस्वरूप दोषपूर्ण उत्पादन होता है। दोष, उदाहरण के लिए, फ्रेन्केल जोड़े जैसे बिंदु दोष, क्रमबद्ध या अव्यवस्थित विस्थापन लूप, स्टैकिंग फॉल्ट या अनाकार क्षेत्र हो सकते हैं। कई पदार्थों के लंबे समय तक विकिरण से उनका पूर्ण अमोर्फीजेशन हो सकता है, एक प्रभाव जो सिलिकॉन चिप्स के आयन प्रत्यारोपण डोपिंग के दौरान नियमित रूप से होता है। दोष उत्पादन हानिकारक हो सकता है, जैसे कि परमाणु विखंडन और संलयन रिएक्टरों में जहां न्यूट्रॉन धीरे-धीरे सामग्री के यांत्रिक गुणों को कम करते हैं, या एक उपयोगी और वांछित सामग्री संशोधन प्रभाव, उदाहरण के लिए, जब आयनों को अर्धचालक क्वांटम कुएं संरचनाओं में पेश किया जाता है ताकि लेजर के संचालन को तेज किया जा सके। या कार्बन नैनोट्यूब को मजबूत करने के लिए। टकराव कैस्केड की एक जिज्ञासु विशेषता यह है कि उत्पन्न क्षति की अंतिम मात्रा गर्मी स्पाइक्स से शुरू में प्रभावित परमाणुओं की संख्या की तुलना में बहुत कम हो सकती है। विशेष रूप से शुद्ध धातुओं में, गर्मी स्पाइक चरण के बाद अंतिम क्षति उत्पादन स्पाइक में विस्थापित परमाणुओं की संख्या से कम परिमाण का हो सकता है। दूसरी ओर, अर्धचालकों और अन्य सहसंयोजक बन्धित पदार्थों में क्षति उत्पादन आमतौर पर विस्थापित परमाणुओं की संख्या के समान होता है। आयनिक पदार्थ पुनर्संयोजित क्षति के अंश के संबंध में धातु या अर्धचालकों की तरह व्यवहार कर सकते हैं। एक सतह के आसपास के क्षेत्र में टकराव कैस्केड के अन्य परिणाम अक्सर रैखिक स्पाइक और गर्मी स्पाइक शासन दोनों में स्पटरिंग का कारण बनते हैं। सतहों के पास गर्मी के स्पाइक्स भी अक्सर गड्ढे के निर्माण का कारण बनते हैं। यह गड्ढा परमाणुओं के तरल प्रवाह के कारण होता है, लेकिन यदि प्रक्षेप्य आकार लगभग 100,000 परमाणुओं से ऊपर है, तो गड्ढा उत्पादन तंत्र गोलियों या क्षुद्रग्रहों द्वारा उत्पादित मैक्रोस्कोपिक गड्ढों के समान तंत्र में बदल जाता है। तथ्य यह है कि कई परमाणु एक कैस्केड द्वारा विस्थापित होते हैं, इसका मतलब है कि आयनों का उपयोग जानबूझकर सामग्री को मिलाने के लिए किया जा सकता है, यहां तक कि उन सामग्रियों के लिए भी जो सामान्य रूप से ऊष्मागतिकीय रूप से अमिश्रणीय हैं। इस प्रभाव को आयन किरण मिश्रण के रूप में जाना जाता है। विकिरण की गैर-संतुलन प्रकृति का उपयोग सामग्री को ऊष्मागतिकीय संतुलन से बाहर निकालने के लिए भी किया जा सकता है, और इस प्रकार नए प्रकार के मिश्र धातुओं का निर्माण किया जा सकता है। पार्टिकल शॉवर भी देखें, जो उच्च-ऊर्जा वाले कणों के बीच द्विआधारी टकराव का एक समूह है जिसमें अक्सर परमाणु प्रतिक्रियाएं शामिल होती हैं विकिरण सामग्री विज्ञान COSIRES सम्मेलन संदर्भ बाहरी लिंक संघनित पदार्थ भौतिकी विकिरण प्रभाव