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本论文利用兰州重离子加速器(HIRFL)加速的初始动能9.5MeV/u的Bi离子、25MeV/u的Kr离子、25MeV/u的Ar离子和德国GSI通用直线加速器(UNILAC)加速的初始动能11.4MeV/u、8.6MeV/u的U离子束在室温下辐照高定向热解石墨(HOPG)。分别用显微共焦拉曼光谱仪、原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜(STM)研究了HOPG样品的辐照损伤程度和样品表面离子径迹的大小、高度和产额等随辐照参数的变化规律。从能量沉积密度和非弹性热峰模型角度对实验数据进行了定性和定量的解释。得到的主要研究结果如下:
1.在快重离子辐照HOPG的拉曼光谱中，发现入射离子的电子能损值并不是决定损伤程度唯一重要因素。单独通过电子能损值的大小不能解释部分样品对应的电子能损值很高而损伤程度较低，和电子能损值较低同时入射离子速度也很低时引起样品损伤程度较高的现象。在U、Bi、Kr离子辐照HOPG的拉曼光谱中都发现了这种现象。我们将这种现象归因于快重离子辐照HOPG损伤建立过程中的“离子速度效应”。通过定量计算和进一步的分析，发现快重离子在HOPG体内产生的径迹应该是不连续的，径迹不连续的程度与电子能损值及入射离子速度等参数有关。Bi离子辐照实验中两个低速离子辐照样品的拉曼光谱显示，并不总是离子速度越低损伤程度越高（对于同一种离子辐照而言），电子能损值和离子速度之间存在一个“调制”关系。“调制”的最终结果（能量沉积密度）决定辐照损伤程度的大小。另外，在所有快重离子辐照石墨样品的拉曼光谱中没有明显的、可观察的石墨/金刚石相变现象。
2.STM对样品表面径迹大小、高度、产额等表征结果显示:径迹产额和大小与电子能损值及入射离子速度等参数有关，而径迹的高度与这些辐照参数没有明显的关系，平均高度均小于1nm。STM结果与拉曼光谱互相印证，进一步证明快重离子辐照HOPG的损伤建立过程中存在“离子速度效应”。当所加降能片较厚时，径迹大小的离散性明显，增大。比较发现快重离子在HOPG中形成的径迹大小比在其他材料中的小很多。
3.根据δ电子径向分布公式计算得到了与入射离子速度有关的平均吸收半径Rd，结合电子能损值，算出了能量沉积密度，通过能量沉积密度可以定性解释拉曼光谱和STM中观察到的“离子速度效应”。
4.用非弹性热峰模型定量计算了快重离子在HOPG中形成径迹的大小，并与STM观测值进行了比较。我们分别使用a向（层内）和c向（层间）热导率数据得到两组计算值。通过与观测值的比较，认为使用a向热导率所得的计算值与STM观测值符合地更好一些，而且发现在其他参数一致的情况下，热导率越高所得计算值越小。径迹大小的计算值在总体上随电子能损值增大有较明显的变大趋势。而STM观测值随能量沉积密度的增大只有较小的增加。我们从热峰模型角度对快重离子在HOPG中形成径迹尺寸较小的原因进行了定性解释。考虑脉冲激光加热石墨实验中发现的实验现象:在激光能量密度超过2.0J/cm2时，石墨容易出现再结晶现象。我们推断，快重离子辐照HOPG时，当超过某一辐照参数时，损伤区域会出现较强的再结晶过程，导致最终实际形成的径迹尺寸随能量沉积密度的增加只有较小的增大。由于热峰模型没有考虑再结晶过程，因此大部分的计算值比STM观测值大。