辐照效应中的级联指的是什么？
在材料科学和核物理领域，当我们谈论辐照效应中的“级联”时，我们指的是在材料受到高能粒子（比如中子、质子、 alpha 粒子，甚至是重离子）轰击时，引发的一系列连锁反应，最终导致材料内部原子结构的重大改变。这可不是什么科幻电影里的情节，而是实实在在的物理过程，对我们理解材料在恶劣环境下（例如核反应堆内部、太空辐射环境）的表现至关重要。
要理解级联，咱们得先从“一次碰撞”说起。当一个高能粒子撞击到材料中的某个原子时，会发生什么？这个撞击绝不是蜻蜓点水。这个高能粒子就像一个高速飞行的弹球，把原子核撞得够呛。碰撞之后，被撞击的原子（我们称之为被碰撞原子或初始被移位原子）会获得大量的动能，足以脱离它原来的位置，成为一个移位原子（也叫间隙原子，插在原子晶格的正常位置之间）。而它原来的位置，则留下一个空位（原子本应在的位置却空着）。这两个失而复得的“伙伴”，即间隙原子和空位，合称为一个弗兰克尔对（Frenkel pair）。
但是，一次碰撞往往只是个开始。这里“级联”的精髓就来了。这个被踢出去的、获得了巨额动能的原子（我们叫它移位原子），它自己可不是个省油的灯。它会在材料内部继续横冲直撞，就像一颗威力巨大的子弹，又会撞击到其他的原子。每一次这样的二次碰撞，都有可能让新的原子成为移位原子，并产生新的空位。
想象一下，就像在台球桌上，你用力一杆打出了一颗母球。这颗母球不仅仅撞到了它面前的球，被撞的球又会撞到别的球，然后这些球又会继续撞击，形成一连串的撞击。在原子层面，这个过程就是位移级联（displacement cascade）。
更具体地说，当这个移位原子在材料中穿梭时，它的能量会逐渐传递给它遇到的每一个原子。如果它传递的能量足够大，被撞击的原子就会被踢出晶格，成为另一个移位原子，并产生新的空位。这个过程会重复很多次，形成一个“原子撞击原子”的链条。
这个级联的过程，其规模可以非常大。一次高能粒子的入射，可能不会只引发一个孤零零的弗兰克尔对，而是会产生数千甚至数万个弗兰克尔对。这些移位原子和空位并非均匀地分布在材料中，而是集中在一个相对较小的区域，形成一个“撞击坑”。这个区域内的原子会发生严重的混乱，原子排列会变得非常无序，甚至可能形成非晶态的区域。
在这个过程中，有些移位原子可能获得的能量巨大，它们会以非常高的速度运动，穿过晶格，甚至可能引发更复杂的原子重排。它们可能会将其他原子推入它们的晶格位置，使得原有的晶格结构被破坏。
为什么这个“级联”这么重要呢？因为它直接决定了材料的宏观性质。
材料性能退化： 级联产生的海量空位和间隙原子，它们都不是材料正常工作的“好东西”。空位会成为杂质原子和点缺陷聚集的“引诱剂”，间隙原子也会插在奇怪的地方，阻碍位错的滑移（这是金属塑性变形的基础）。长此以往，材料的强度会增加（所谓的“辐照硬化”），但同时韧性会急剧下降，变得非常脆。
相变和微结构演化： 在某些材料中，大量缺陷的产生还会改变材料的化学组成和相结构。例如，在合金中，某些元素可能会富集或耗尽，导致新的相析出，或者原有相的分解。
肿胀： 当空位聚集在一起形成空隙（voids）时，材料的体积会膨胀，这就是所谓的“辐照肿胀”。这在核反应堆燃料包壳材料中是一个非常棘手的问题，可能导致结构失稳。
长链反应（Secondary cascades）： 有时候，一次初级的位移事件，其能量足够高，以至于产生的移位原子本身也有能力引起更多的移位。更极端的情况下，一个高能粒子甚至可能一次性撞出足够多的原子，让这些原子互相撞击，形成一系列接连不断的、规模更大的级联。
简而言之，辐照效应中的级联，就是高能粒子撞击材料后，引发的一系列原子间的碰撞和移位，形成一个“混乱中心”。这个过程的能量传递和原子失序的程度，决定了材料在辐照环境下的损伤类型和损伤程度。理解这个级联过程，是设计和预测材料在极端环境下的行为的基础。这就像是观察一个微观世界的“雪崩”，虽然源头可能只是一个小小的扰动，但一旦开始，就会引发连锁反应，彻底改变原有的格局。
要理解级联，咱们得先从“一次碰撞”说起。当一个高能粒子撞击到材料中的某个原子时，会发生什么？这个撞击绝不是蜻蜓点水。这个高能粒子就像一个高速飞行的弹球，把原子核撞得够呛。碰撞之后，被撞击的原子（我们称之为被碰撞原子或初始被移位原子）会获得大量的动能，足以脱离它原来的位置，成为一个移位原子（也叫间隙原子，插在原子晶格的正常位置之间）。而它原来的位置，则留下一个空位（原子本应在的位置却空着）。这两个失而复得的“伙伴”，即间隙原子和空位，合称为一个弗兰克尔对（Frenkel pair）。
但是，一次碰撞往往只是个开始。这里“级联”的精髓就来了。这个被踢出去的、获得了巨额动能的原子（我们叫它移位原子），它自己可不是个省油的灯。它会在材料内部继续横冲直撞，就像一颗威力巨大的子弹，又会撞击到其他的原子。每一次这样的二次碰撞，都有可能让新的原子成为移位原子，并产生新的空位。
想象一下，就像在台球桌上，你用力一杆打出了一颗母球。这颗母球不仅仅撞到了它面前的球，被撞的球又会撞到别的球，然后这些球又会继续撞击，形成一连串的撞击。在原子层面，这个过程就是位移级联（displacement cascade）。
更具体地说，当这个移位原子在材料中穿梭时，它的能量会逐渐传递给它遇到的每一个原子。如果它传递的能量足够大，被撞击的原子就会被踢出晶格，成为另一个移位原子，并产生新的空位。这个过程会重复很多次，形成一个“原子撞击原子”的链条。
这个级联的过程，其规模可以非常大。一次高能粒子的入射，可能不会只引发一个孤零零的弗兰克尔对，而是会产生数千甚至数万个弗兰克尔对。这些移位原子和空位并非均匀地分布在材料中，而是集中在一个相对较小的区域，形成一个“撞击坑”。这个区域内的原子会发生严重的混乱，原子排列会变得非常无序，甚至可能形成非晶态的区域。
在这个过程中，有些移位原子可能获得的能量巨大，它们会以非常高的速度运动，穿过晶格，甚至可能引发更复杂的原子重排。它们可能会将其他原子推入它们的晶格位置，使得原有的晶格结构被破坏。
为什么这个“级联”这么重要呢？因为它直接决定了材料的宏观性质。
材料性能退化： 级联产生的海量空位和间隙原子，它们都不是材料正常工作的“好东西”。空位会成为杂质原子和点缺陷聚集的“引诱剂”，间隙原子也会插在奇怪的地方，阻碍位错的滑移（这是金属塑性变形的基础）。长此以往，材料的强度会增加（所谓的“辐照硬化”），但同时韧性会急剧下降，变得非常脆。
相变和微结构演化： 在某些材料中，大量缺陷的产生还会改变材料的化学组成和相结构。例如，在合金中，某些元素可能会富集或耗尽，导致新的相析出，或者原有相的分解。
肿胀： 当空位聚集在一起形成空隙（voids）时，材料的体积会膨胀，这就是所谓的“辐照肿胀”。这在核反应堆燃料包壳材料中是一个非常棘手的问题，可能导致结构失稳。
长链反应（Secondary cascades）： 有时候，一次初级的位移事件，其能量足够高，以至于产生的移位原子本身也有能力引起更多的移位。更极端的情况下，一个高能粒子甚至可能一次性撞出足够多的原子，让这些原子互相撞击，形成一系列接连不断的、规模更大的级联。
简而言之，辐照效应中的级联，就是高能粒子撞击材料后，引发的一系列原子间的碰撞和移位，形成一个“混乱中心”。这个过程的能量传递和原子失序的程度，决定了材料在辐照环境下的损伤类型和损伤程度。理解这个级联过程，是设计和预测材料在极端环境下的行为的基础。这就像是观察一个微观世界的“雪崩”，虽然源头可能只是一个小小的扰动，但一旦开始，就会引发连锁反应，彻底改变原有的格局。
网友意见
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
- ^utorial material for radiation physics by Kai Nordlund http://www.acclab.helsinki.fi/~knordlun/tutorials/
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