Implementing a Novel Coupling for Ion-Electron Effects in Modeling Radiation Damage Events

Thumbnail Image

Files

Järn_Simon_2025.pdf (562.32 KB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-10-19

Department

Major/Subject

Teknillinen fysiikka

Mcode

SCI3028

Degree programme

Teknistieteellinen kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

38

Series

Abstract

Accurate modeling of radiation and high-velocity projectiles is highly useful for predicting their effect on materials. Molecular dynamics is one of the simulation methods used for this due to its ability to model large systems efficiently. This efficiency is achieved through the use of different models and approximations. For example, the effects of projectile interactions with electrons may be calculated through very detailed simulations of small systems, but radiation damage simulations require relatively large systems with many particles. It is not feasible to perform the detailed calculations for systems that large, which is why simplified models are created that use parametrized ab initio data. In this thesis a new model for the energy exchange between high-velocity ions and the electronic system in materials is developed. The model is two-dimensional, with both the electronic site density and the gradient of that density as its parameters. This is implemented through the use of bicubic interpolation of the stored values for the coupling parameter, which describes the magnitude of the effective frictional force on the projectile due to electronic interactions. The electronic site density is modeled by cubic splines as in previous models, and the derivatives of these splines are used for the calculation of the gradient of the density. The gradient is projected onto the velocity vector of the projectile to get a scalar value that is then used in the interpolation of the coupling parameter. The results of the test cases for the new model show that it gives the expected energy exchange given the inputs. The calculation of the electronic density, the gradient of that density and the interpolation of the coupling parameter agree between the implementations in the two programs used in the tests, which is crucial for the calculated exchanged energies to be comparable. Some problems with the model are brought forward in this thesis, primarily that the calculation of the exchanged energy differs between the different programs. These errors can in some cases cause issues and need to be considered when the model is used. The next step in the usage of the new model is to fit it to material-specific data and analyze the results.

Noggrann modellering av strålning och projektiler med hög energi är mycket användbart för att förutse deras effekt på material. Molekylärdynamik är en av de simuleringsmetoder som används till det här eftersom den kan modellera stora system effektivt. Den här effektiviteten uppnås genom att använda olika modeller och approximationer. Till exempel kan effekten av elektroner på en projektil beräknas genom väldigt detaljerade simuleringar av små system, men för att simulera strålningsskador behövs relativt stora system med många partiklar. Det är inte rimligt att utföra de detaljerade beräkningarna för så stora system, och därför utvecklas simplifierade modeller som använder parametriserad ab initio-data. I det här arbetet utvecklas en ny modell för energiutbytet mellan joner med hög energi och det elektroniska systemet i material. Modellen är tvådimensionell med både den elektroniska densiteten och gradienten av den densiteten som parametrar. Det här implementeras med hjälp av bikubisk interpolering av de lagrade värdena för kopplingsparametern, som beskriver magnituden av den effektiva friktionskraften som verkar på projektilen på grund av växelverkan med elektronerna. Den elektroniska densiteten modelleras med kubiska spline-funktioner som i tidigare modeller, och derivatan av de här funktionerna används till beräkningen av densitetens gradient. Gradienten projiceras på projektilens hastighetsvektor för att få ett skalärvärde som sedan används vid interpoleringen av kopplingsparametern. Resultaten från de test som utfördes på modellen visar att den ger väntade värden för energiutbytet för de testparametrar som användes. Beräkningen av den elektroniska densiteten, gradienten av densiteten samt interpoleringen av kopplingsparametern stämmer överens mellan implementeringarna i de två programmen som användes i testen, vilket är grundläggande för att de beräknade energierna ska vara jämförbara. Vissa problem med modellen tas också fram i det här arbetet, främst att den utbytta energin beräknas olika i de två programmen. De här problemen kan orsaka fel och måste beaktas när modellen används. Nästa steg i användningen av den nya modellen är att anpassa den till materialspecifika data och analysera resultaten.

Description

Supervisor

Sand, Andrea

Thesis advisor

Kiely, Glen

Keywords

electronic stopping, molecular dynamics, ion-electron effects, elektronisk bromsning, molekylärdynamik, jon-elektron-effekter

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202510218408

Collections

[kand] Perustieteiden korkeakoulu / SCI