项目名称： | |
首席科学家： | 肖国青 中国科学院近代物理研究所 |
起止年限： | 2010年1月-2014年8月 |
依托部门： | 中国科学院 |
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一、研究内容
本项目的核心是通过建立和强化特殊现象效应与实验条件的联系，充分发现和利用不同物质中离子束的行为与新现象，揭示离子束与物质相互作用的本质，为离子束及其相关技术在新型能源、特殊材料、先进信息等科学领域的重大应用提供科学支撑。拟解决的关键科学问题和主要研究内容如下： 科学问题一：离子束强激发产生高能量密度物质的机理
特殊离子束在物质中的能量和质量沉积模式；高能、高电荷态离子与物质作用过程中电荷态的瞬变行为；离子束瞬间高密度能量沉积引起的瞬间辐射现象和过程、物质微结构和性质变化及其探测。
主要研究内容：
（1）高电荷态重离子束与不同复杂物质体系（固体、稠密等离子体、纳米结构或薄膜等）相互作用规律，以及物质的结构效应、尺度效应、集体效应对重离子电荷态、能量沉积及靶物质电离与激发过程的影响。
（2）物质中强流离子束能量和质量沉积的多粒子输运过程及非线性效应理论和微观模型。
（3）离子束强激发产生的高能量密度状态物质以及瞬间辐射现象和过程、物质微结构和性质变化；离子束轰击产生瞬时激励信号的探测和实验方法。
（4）特殊粒子束与复杂物质相互作用理论模型与计算机模拟，开发出离子束在不同物质体系中能量沉积和输运过程的模拟软件。
离子辐照场下缺陷的产生及其演化规律；强离子辐照场下材料结构和性能演化机理；从原子尺度离子辐照缺陷的产生到宏观尺度物质结构损伤过程的建模与离子辐照损伤的多尺度模拟计算；离子辐照损伤探测新技术与方法。
主要研究内容：
（1）离子辐照初级产生的缺陷，原子尺度上的缺陷行为，缺陷与缺陷、晶粒、晶界/界面区域等结构的相互作用机制。
（2）强离子辐照损伤水平条件下，材料结构演变新现象以及强辐照损伤引起材料结构和性能演化的机理。
（3）不同载能离子/粒子辐照损伤的等价关系，环境因素（如温度、磁场、电场等）对辐照损伤效应的影响。
（4）探索从原子、介观到宏观尺度的离子辐照损伤演化过程以及相关物理模型之间的有机联系，实现离子辐照损伤过程的多尺度的模拟计算，发展微纳尺度离子辐照损伤探测新技术与方法。
科学问题三：载能离子诱导微纳结构演变及其控制
微纳结构物质的载能离子辐照效应规律；载能离子与微纳物质结构体的相互作用机制；离
子束诱导复杂物质结构体微观结构演变/相变机制与固体纳米结构的形成理论；纳米结构的晶格定向演化、精确掺杂以及结构的精细调控原理；固态相变计算机模拟及多尺度模型。
主要研究内容：
（1）载能离子引起的纳米材料的结构演变；微纳结构物质的载能离子辐照效应理论模型。
（2）载能离子作用下固体纳米结构的形成过程、机制与性能；建立固态相变计算机模拟及多尺度模型。
（3）特殊离子束处理与纳米结构的晶格定向演化、精确掺杂以及结构的精细调控机理；构建载能离子作用下固体纳米结构的形成理论。
（4）新型微纳结构的载能离子束制备，特别是尺度为几nm--几十nm的结构的控制和制备。
二、预期目标
总体目标：
太中银本项目将重点依托国家大科学工程－兰州重离子加速器，联合国内优势力量，针对载能离子束与物质相互作用，特别是微观机理研究中尚未解决的重大科学问题，在三个方面开展多层次的综合研究：1）离子束强激发产生高能量密度物质的机理；2）强离子辐照场下的物质结构损伤；3）载能离子诱导微纳结构演变及其控制。研究课题将突出科学问题的原创性，促进与技术创新的结合。
通过本项目研究，揭示极端条件下离子束与物质相互作用微观物理机制，建立描述相关过程的科学理论和方法，使人们明晰如何实现离子束技术应用的新原理、新方法，对离子束与物质相互作用的认识上一个台阶。力争在实验和理论两个方面取得标志性的成果，培养一批从事相关领域研究的优秀人才，使我国离子束与物质相互作用研究整体上进入国际先进行列，占有重要的一席之地，为我国新型材料技术发展、信息和新能源科学等国民经济和国家安全领域的重大需求奠定必要的实验基础，提供必要的理论依据和实验证据。
五年预期目标:
（1）高能高电荷态离子引起物质强电离激发过程研究：建立高能高电荷态离子与靶原子相互作用的微观模型及实验探测方法，研究高能高电荷态离子在物质中电荷态的瞬变规律、
广丰县五都中学能量沉积和输运过程，以及靶物质的电离和激化过程，为重离子束驱动聚变技术、离子束微纳制造技术及离子束辐照材料改性技术提供必要的理论支撑，并为这些技术的实际应用提供可能的实时监测和控制技术的理论与实验基础。
（2）瞬间高密度能量沉积引起的物态演化规律：利用兰州重离子加速器等提供的强离子束，实验研究离子束瞬间高密度能量沉积在固体中引起flash mtvnvnu的020服务效应的产生过程，揭示离子瞬间高密度能量沉积引起的物质结构和性质变化规律；探究离子声学以及其它瞬间辐射等特殊物理现象；建立高能高密度离子束激励产生的瞬时信号的探测技术和实验方法；为国家在先进能源、国防、新材料技术等相关领域中的一些重大需求提供必要的理论依据和实验数据。
（3）微纳尺度离子辐照损伤过程研究：紧密结合实验数据和从头计算方法，建立不同能量下、不同电荷态重离子和其它射线与分子、团簇等微纳尺度物质相互作用的微观动力学模型；探索离子辐照初级产生的缺陷，原子尺度上的缺陷行为，缺陷与缺陷、晶粒、晶界/界面区域等结构的相互作用机制；建立微纳尺度离子辐照损伤演化模型以及模拟计算程序；建立原子和分子尺度的离子辐照损伤探测新技术与方法。
（4）强离子辐照引起材料损伤研究：揭示强离子辐照损伤水平条件下材料结构和性能演化的机理；揭示环境因素对材料，特别是核材料辐照损伤效应的影响，不同种类粒子辐照效应的特点、差异、相互之间的联系，建立不同载能粒子辐照损伤之间的等价关系，提供确认材料辐照损伤行为极限特性和达到改善性能的方法；实现从原子、介观到到宏观尺度的离子辐照损伤演化过程的多尺度计算机模拟计算，包括ab initio，MD，KMC等对典型微观/介观结构样品的模拟方法以及各种模拟技术之间的衔接方法，为设计在裂变/聚变堆等极端环境下应用的抗强辐射材料提供参考依据。
（5）离子束诱导微纳物质相变机制研究：揭示载能离子作用下微纳物质的结构、性能及其控制规律；揭示粒子束与微纳物质作用过程及诱导相变机制；诠释粒子束作用下微纳材料中的一些新现象、新规律和新性能，获得具有特殊性能的新型材料。建立载能离子作用下，固体纳米结构的形成理论和复合金属体系中固态相变的多尺度模型。
（6）微纳结构的载能离子制备、调控及其机理：揭示载能离子束驱动可控构建纳米结构的机制，为粒子束调控、合成纳米结构新材料特别是半导体材料和光电功能材料提供理论依据；揭示不同剂量离子注入在不同半导体材料中形成纳米尺度新结构、新材料的物理机制；
建立利用离子束在纳米尺度内对材料结构进行精确调控的跨越百年的美丽主要内容技术工艺方法，推动离子束技术在改进材料与新器件结构制备中的应用。
（7）研究成果将发表高水平学术论文300篇以上，出版专著1-3部，申请国家发明专利15项以上；培养硕士和博士研究生100名以上，铸就一支高水平的具有创新与攻坚能力的研究队伍，形成若干个优秀创新体；建设本领域高水平的基础研究和技术创新基地；提高在国际学术界的地位和活跃程度，进一步提升在国际合作中的地位。
三、研究方案
学术思路：
面向国家重大需求，牵引离子束与物质相互作用基础研究：本项目将从重离子束驱动惯性约束聚变相关高能量密度物理、新一代核能系统材料评价筛选、微纳结构精确调控、新型微纳结构的制备与调控等重大需求出发，针对所需的特殊离子束和实验技术，来开展离子束与物质相互作用的基础研究工作，重点探索特殊离子束作用下的新物理效应与现象，建立利用离子束快速评价核能材料的标准，寻微纳结构的离子束精确调控途径，满足未来先进离子束技术发展与应用的需求。
通过学科互补，突破离子束技术应用：本项目涉及载能离子物理学、凝聚态物理学、原子物理学、光电子学、材料科学以及高能量密度物理、计算物理等学科。本项目涉及的研究内容在单一学科的框架下很难解决，必须组织跨学科的队伍，通过学科交叉来解决问题。为此，本项目从学科交叉的角度出发，联合了国内的优势单位组成了跨学科的研究团队，围绕同一个目标来攻克离子束与物质相互作用基础研究以及应用中的关键科学问题。
