文|一道Talk
编辑|一道Talk
在点火装置运行中，靶室内的氘氚反应会产生大量的高能等离子体，其中就包含 X 射线、伽马射线、中子等。
除了高能中子辐照外，靶室产生的穿透性强的伽马射线也有可能导致化学膜产生辐照损伤，使化学膜内部结构产生变化和微观缺陷，导致性能下降和新的三倍频紫外光吸收，并在随后发次的激光辐照中损伤加剧，甚至出现宏观可见损伤乃至脱落。
目前，有关靶室关键材料的伽马辐照效应研究正在普遍开展，例如作为第一壁材料的铝合金，SiC，F82H 钢等。但是作为终端光学组件中重要一环，化学膜的伽马辐照效应并没有被深入研究。
这种辐射效应与辐射材料对激光照射的后续响应有很强的关联性。因此，二氧化硅化学膜的伽马辐照效应研究对于提升化学膜的抗辐照能力和点火装置的稳定运行有很大帮助。
除此之外，由于能量和作用方式的差别，伽马辐照和中子辐照对材料的作用效果也存在差异。
有关文献报道了在使用不同剂量中子和伽马射线辐照 K4 玻璃后，中子辐照相对于伽马辐照，更易引起样品内部缺陷的产生。因此，在考虑剂量的情况下，对比化学膜的中子和伽马辐照效应将更有助于了解两种辐照效应的异同之处。
光学材料的辐照效应主要表现在热效应、损伤与结构响应以及失效（性能衰退）上。对于熔融石英和化学薄膜等非晶态物质，其辐照效应的理论研究必须依据所涉及的尺度，采取相应的计算方法。
在强光作用下，材料的加热、熔化、破坏等宏观过程中，材料的物理特性、物理特性、边界条件等都需要通过数值模拟来解决。
当前较为完善的纳秒级激光损伤机理研究是通过对包含电子扩散效应的热导率方程进行数值求解，得到在长时间激光照射下熔石英熔体表面温度场的时空分布。
有限差分法是一种常用的数值算法，它可以把微分问题转化为代数问题，它的数学表述非常简洁，是一种发展非常迅速、非常成熟的数值算法。
有限差分方法是一种非常成熟的方法，它可以用来求解热传导方程组，并能很好地刻画材料的温度场。因此，本文采用有限差分方法对二氧化硅光学材料进行了热效应及辐射损伤的分析。
在结构响应与性能衰减方面，其本质是由于辐照引起的材料内部微结构发生了明显变化。基于牛顿力学理论的分子动力学模拟方法在研究材料微结构、性能等方面有其独特的优势。
分子动力学方法具有较宽的时间尺度和较大的模型尺度，能够准确地描述材料在辐射作用下的微结构变化以及各种物性（如力、热等）的演化。
选择适当的力场格式，可将其应用推广至无定形体系。受经典力学理论限制，分子动力学模拟无法实现对其能带结构、缺陷态等重要物理特性的精确模拟。
而利用第一性原理方法，通过求解 Schrö dinger方程得到的电子波函数，对该体系的电子特性进行表征，是一种非常有优势的方法。
第一性理论原理程序能够精确计算出材料的电子结构、光学性质等基本物理性质，并能够在辐射后的电子结构改变与光学性质的关系上获得更多的优势。
因此，本项目拟采用分子动力学与第一性原理计算相结合的方法，对辐照诱导的光学材料微结构演变与热、力、光等性能退化进行系统深入的研究。
综上所述，二氧化硅光学材料的辐照效应的模拟计算根据关注尺度需要分别采用有限差分、分子动力学和第一性原理计算方法来进行针对性研究。
有限差分法（FiniteDifferenceMethod）是通过有限差分逼近导数来求解微分方程的数值计算方法。通过将连续的空间域和时间域离散化，有限差分法可以将非线性的常微分方程或偏微分方程转换为可通过矩阵代数求解的线性方程组。
由于该方法数学概念直观，容易实现，现代计算机可以有效地执行这些线性代数计算，在现代数值分析计算中被广泛使用。
我们采用MATLAB软件进行有限差分求解计算，MATLAB软件数值求解高效，功能丰富，具有完备的图形处理功能，是一款强大的数学软件。以求解一维偏微分方程为例，构建的一般的线性一维偏微分方程如式(2-1)所示：
其中，x和y是空间变量，t是时间变量。而使用有限差分法去求解偏微分方程，一般分为以下三个步骤：
1.将空间和时间变量的连续或者无界域转换为有界或者离散的点集。
2.使用有限差分近似法近似偏导数。
3.求解得到的有限差分方程。
为了提升熔石英元件的激光负载能力，国内外学者开展了大量的研究，通过采用 HF酸刻蚀、磁流变抛光、离子束刻蚀和激光预处理等技术。
对熔体晶体表面和亚表面进行高精度的处理，显著提高熔体晶体的激光损伤阈值。然而，在真实的工作条件下，器件的损伤阈值仍远小于熔体的内禀损伤阈值。
熔石英元件除了在光学加工过程中，会引入金属杂质、划痕和凹坑等缺陷以外，在真空环境中，紫外激光辐照还会导致熔石英表面形成亚化学计量（低氧硅比例）的SiOx（x<2）。
材料表面的O/Si原子数比（RatioofO/Si，RO-Si）已经偏离正常的化学配比值2:1，从而导致熔石英表面出现缺氧型结构缺陷，对激光具有较强的吸收，进一步导致抗激光损伤性能降。
尽管加工工艺和后处理工艺不断改进，熔石英表面的氧空位等缺氧型结构缺陷依然很难消除。
熔石英由于具有低介电损耗、高形变（~1370K）和软化（~2000K）温度、高化学稳定性和宽的光学透射光谱，被广泛用作光学开关和真空波导、楔形聚焦透镜、衍射光栅和碎片屏蔽片等材料。
微观结构分析表明，激光辐照导致的表面氧缺失会导致熔石英的环结构破裂与重组，并产生了大量的缺氧类缺陷。由此引发的结构变化会影响熔石英的基础物理性质。
本节主要利用MD方法和第一性原理计算分析氧缺失和氧过量引发的物理性能退化及其机理。
在不同的氧、硅配比条件下，熔融石英的各种机械性能指标均发生了明显的变化。氧耗水平与上述指标有显著的正相关性。随着硅氧含量的降低，材料的机械性能也随之降低。
为评价缺少氧气对机械性质的影响，在没有缺损的条件下，机械性质参数的相关改变。随氧、硅比的减小，劣化程度逐渐增加。
降低幅度最大的以氧、硅含量为1.6时为例，其体积模数为14.61%，剪切模数为6.02%，杨氏模数为7.69%，泊松比为14.38%。研究发现，在熔融石英中，氧气的缺乏对其机械性能的影响是显著的。
另外，氧气的缺乏也会使这种影响变得更加严重。弹性模量的降低是由于在失去了氧原子之后，内部的环结构被破坏，重新形成了一个大的环结构，导致了硅氧四面体结构的紧固性降低，导致了大量的不均匀的硅原子。
当有足够的氧气时，熔融石英的机械性能会有轻微的升高，这种现象可能是由于氧气的加入而引起的。引起系统密度增大、结构致密相关的网络结构。熔融石英的表面回弹效应在本课题组进行的有关试验中，也观察到了模量提高的现象。
图3-7展示了根据Oliver和Phar基于载荷-位移曲线计算弹性模量的经典方法，在最大载荷为5mN的情况下，不同离子注量的氧离子注入熔石英表面弹性模量变化情况。
根据图中结果，样品弹性模量随离子注量增大（样品表面氧硅比例上升）而逐渐增加，最后达到收敛。当离子注量增大至1×1017ions/cm2时，样品硬度和弹性模量增加较明显。
随后离子注量增大至5×1017ions/cm2时，样品的弹性模量与离子通量为1×1017ions/cm2时没有太大的差异，由此可以看出，在离子通量增加到一定程度后，表面弹性模量会趋于稳定，这与我们的模拟结果相一致。
在此基础上，采用离子注入技术，可以提高材料的表面密度，提高材料的表面机械性能。
正如前文所述，在点火装置的工作过程中，在靶室中进行氘与氚的反应，将会在靶室中生成许多含有 X射线、γ射线和中子等高能等离子体。
除高能中子辐射之外，靶室内产生的强穿透γ射线还会对化学薄膜造成辐照损伤，引起薄膜内部结构的改变，造成薄膜的微缺陷，造成薄膜的性能退化，同时还会引起新的三倍频 UV光的吸收，进一步加重薄膜的损伤，严重时甚至会引起薄膜的宏观破坏。
当前，针对 Al、 SiC、F82H钢等作为第一壁材的重要材料，其γ辐射效应已得到了广泛的关注。然而，作为终端光学元件的关键环节，化学薄膜的γ辐射效应尚未得到充分的研究。该辐照效果与辐照物质在激光辐照下的反应密切相关。
因此，开展二氧化硅化学薄膜γ辐射效应的研究，将有助于提高薄膜的抗辐照性能，提高点火设备的可靠性。
另外，由于辐照的能量、作用模式等因素，其效应也有很大不同。已有研究表明，K4玻璃经不同剂量的中子、伽马辐射后，较容易在试样中诱导出内部缺陷。
所以，如果将化学薄膜中的辐射与γ辐射进行比较，可以更好地理解两者的相似性与差异性。
在此基础上，我们将采用分子动力学模拟与第一性原理模拟相结合的方法，对具有不同空洞结构的化学薄膜的γ辐射效应进行系统的研究，并在此基础上，从微观上对不同辐射剂量下的γ辐射效应进行比较分析。
具体内容包括：
建立包含电离效应的γ-辐射模型。在此基础上，研究伽马辐射作用下，薄膜的微观组织结构，如配位数、键角分布等，从原子层次上理解薄膜的微观组织结构，以及薄膜中缺陷的演化规律。
在此基础上，以伽马辐射对材料热力学性能及光学性能的影响进行了研究。在此基础上，对不同辐射剂量的化学薄膜进行系统的中子、γ辐射效应对比分析。
熔岩石英是激光核聚变的关键终端，在3倍频 UV激光照射下，会发生表面氧缺失和损伤阈值降低等问题。
然而，SiO2基体的化学薄膜在中子/伽马辐照作用下，会发生结构改变、性能退化，导致其在服役过程中出现损坏、脱落等现象。上述问题已成为制约 ICE光学器件寿命及稳定性的主要瓶颈。
本项目针对这一问题，从辐照-物质作用机理出发，采用各种数值模拟手段，系统地研究 UV激光照射下，熔体表面氧缺陷对熔体物理性质的影响，以及 UV/Gamma辐照对熔体二氧化硅化学薄膜的物理性质的影响，并分析其对熔体物理性质的影响。
在此基础上，通过对其显微组织、热力学、光学等特性的研究，探讨其在不同辐射环境下的物性变化规律。
最后我们对于力学性能的计算基于弹性应变，而在实际情况中，塑性应变，例如硬度，也是研究人员关注的重要参数。后续将会利用分子动力学方法模拟外部压力-形变过程，计算获得化学膜的塑性应变规律，并结合实验手段对模拟结果加以验证来满足实际需求。
