Neutron irradiation produces, within a few picoseconds, displacement cascades that are sequences of atomic collisions generating point and extended defects which subsequently affects the long-term evolution of materials. The diversity of these defects, characterized morphologically and statistically, defines what is called the "primary damage". In this work, we present a fully unsupervised machine learning (ML) workflow that detects and classifies these defects directly from molecular dynamics data. Local environments are encoded by the Smooth Overlap of Atomic Positions (SOAP) vector, anomalous atoms are isolated with autoencoder neural networks (AE), embedded with Uniform Man- ifold Approximation and Projection (UMAP) and clustered using Hierarchical Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise (HDBSCAN). Applied to 80 keV displacement cascades in Ni, Fe70Ni10Cr20, and Zr, the AE successfully identify the small fraction of outlier atoms that participate in defect formation. HDBSCAN then partitions the UMAP latent space of AE-flagged SOAP de- scriptors into well defined groups representing vacancy- and interstitial-dominated regions and, within each, separates small from large aggregates, assigning 99.7 % of outliers to compact physical motifs. A signed cluster-identification score confirms this separation, and cluster size scales with net defect counts (R2 > 0.89). Statistical cross analyses between the ML outlier map and several conventional detectors (centrosymmetry, dislocation extraction, etc.) reveal strong overlap and complementary coverage, all achieved without template or threshold tuning. This ML workflow thus provides an efficient tool for the quantitative mapping of structural anomalies in materials, particularly those arising from irradiation damage in displacement cascades.


翻译:中子辐照在几皮秒内产生位移级联,这是一系列原子碰撞过程,会生成点缺陷和扩展缺陷,进而影响材料的长期演化。这些缺陷在形态和统计上的多样性定义了所谓的“初级损伤”。本研究提出了一种完全无监督的机器学习(ML)工作流,可直接从分子动力学数据中检测并分类这些缺陷。局部原子环境通过原子位置平滑重叠(SOAP)向量进行编码,异常原子通过自编码器神经网络(AE)进行识别,使用均匀流形近似与投影(UMAP)进行嵌入,并采用基于层次密度的噪声应用空间聚类(HDBSCAN)进行聚类。将该方法应用于Ni、Fe70Ni10Cr20和Zr中的80 keV位移级联,AE成功识别出参与缺陷形成的少数异常原子。HDBSCAN随后将AE标记的SOAP描述符的UMAP潜在空间划分为明确定义的组别,分别代表以空位和间隙原子为主的区域,并在每个区域内区分小尺寸与大尺寸团簇,将99.7%的异常原子归类为紧凑的物理构型。带符号的团簇识别分数验证了该分离效果,且团簇尺寸与净缺陷数量呈显著相关(R2 > 0.89)。ML异常原子图谱与多种传统检测方法(中心对称性、位错提取等)的统计交叉分析显示出高度的重叠性与互补覆盖性,整个过程无需模板或阈值调优。因此,该ML工作流为材料中结构异常的定量映射提供了高效工具,尤其适用于辐照损伤引起的位移级联分析。

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