辐照效应中的级联指的是什么？ 第1页

中子（或者其他高能粒子，原理类似）轰击材料时，会跟材料中的原子发生碰撞，把一部分能量传递给材料原子。

因为中子不带电，碰撞截面(概率)很小，在短距离内不太可能连续发生两次碰撞。因此中子撞完之后直接就溜没影了，所以我们通常会把目光放到被撞的这颗原子身上。

这颗有幸直接被中子撞击的材料原子，江湖人称PKA (primary knock-on atom)，翻译过来也就是初级离位原子。

PKA本身是材料内部的普通原子，只是被中子这么一撞，赋予了很大的动能。一颗14.1 MeV的中子最多能传递几百keV的能量给PKA，这个能量足以让这颗原子摆脱周围原子的束缚（毕竟化学键也才eV级别），使其离开原本稳定位置。初级离位原子中的“离位”二字就是这么来的。

离位后的PKA并不会像中子那样一溜烟跑很远，因为原子核是带电的，PKA跟周围其他原子之间的电磁作用力非常强，导致碰撞截面很高。因此，离位后的PKA往往会在短距离内撞上周围的其他原子。PKA是初级离位原子，所以这些被PKA撞上的原子就是二级离位原子。

跟初级离位原子类似，二级离位原子也是带电的，碰撞截面也很高，所以二级离位原子又会会在短距离内碰撞，产生三级离位原子。然后三级撞四级，四级撞五级......如此循环往复，直到所有原子都耗尽动能为止。

上述这个一撞二，二撞三.......的多级碰撞过程，就成称为级联碰撞(collision cascade)。这个过程会破坏材料的正常结构，产生的损伤就称为级联损伤。下面这个视频^[1]，展示了在金属Au中，一颗10keV的PKA产生的级联碰撞。

另外，带电粒子的能量（或者说速度）越大，掠过其他原子的时间就越短，因此碰撞截面就越小。这就好比把杯子垫在纸上，抽走纸张的速度越快反而越不容易带动杯子。

所以，当PKA能量很大时，它产生的二级离位原子可能会得到足够高的动能。按照上面的分析，高动能的二级离位原子的碰撞截面较小，因此它可能要减速一段距离，才会产生级联碰撞。

如果这段距离比较大，二级离位原子就会在远离原PKA的地方产生级联碰撞。这个级联跟原PKA的级联在空间上存在明显的分隔，所以被通常称为二级/次级级联。

以上都是对单个PKA的讨论。实际辐照过程中，肯定存在不止一个中子轰击材料。当辐照剂量比较高时，已经产生过级联碰撞的周区域，也有可能再次被中子碰撞，从而产生PKA并再次发生级联碰撞。这个新的级联会和旧的级联产生一定的重叠，也就是级联重叠。

参考

1. ^utorial material for radiation physics by Kai Nordlund http://www.acclab.helsinki.fi/~knordlun/tutorials/