一直以來，研究者們測定材料輻射損傷的方法都十分復雜，最近，美國的科學家們研制出了一種叫瞬態光柵光譜的新方法，通過模擬與實驗的方法，來進行材料缺陷的監測，這種方法快速、無損，可以大大提高我們對于材料實時缺陷的理解。

    當材料置于像核反應堆這樣的強輻射環境之內時，會逐漸分解、減少。但是測定這些材料實際上遭受的損傷，通常要求拿出來一個樣品，在一種特定的設備下來進行數周的測試。

    由麻省理工學院（MIT）化學系的研究者們研制、中尺度核材料實驗室成員應用的一種分析方法，可以改變這種情況。這種方法可能允許研究者們不必將待測材料從輻射環境中拿出來，就能對材料進行持續地監測。這種方法也可以大大提高測試程序的速度，減少材料的預備代替品，代替品實際上也是安全可用的。

    近日，Physical Review B雜志在一篇由核科學與工程專業的研究生Cody Dennett、助理教授Michael Short和其他六位作者的文章中報道了這一發現。

    Short說：“當測試材料中的輻射損傷時，大部分當前的檢測方法既慢又昂貴。”例如，這種測試的標準方法——透射電子顯微鏡 （TEM），可以提供許多缺陷的綜合性信息，這些缺陷可以改變材料的性能。但不是所有可以改變材料性能的缺陷都能在TEM中看到，因此這個測試不能提供完整的數據。

    談及或多或少原子從材料晶格中流失的位置時，Shorts說：“我們不僅僅對材料含有多少缺陷感興趣，我們真正想知道的材料性能是如何改變的。”

    研究團隊發現一種叫做瞬態光柵光譜可以解決這一問題。本質上，這是一種通過引發監測材料表面的聲波來進行測試材料熱塑性能的方法。盡管，系統也觀察了材料的外表面，那些聲波變化被材料結構中下表面的缺陷所影響。這種影響就像地理學家通過研究在不同方向地震波傳播的方式來構造地球的內部圖像。

    這個系統通過使用兩種脈沖激光光束照射樣品，引起干涉圖樣，從而制造這些聲學振蕩。這些干涉圖樣在材料表面引發加熱，從而產生一種永久的聲波。由這些聲波引起表面的變化可以被另一套激光所監測。

    該團隊的研究工作剛開始面對著一些質疑。Short說：“人們說，你怎么知道這種技術足夠靈敏呢？”。但是隨著幾乎完美匹配理論模擬的實驗進行，他們證明了必要的靈敏性，他說：“那些批判性問題對我們來說是十分重要的，可以激勵我們進行這項研究。”

    對于一項測試，團隊比較了兩批由不同表面取向的完美單晶組成的鋁樣品。盡管內部原子排列不同，他說：“他們在眼睛或者在顯微鏡中看起來是完全相同的，我們將他們全部置于自己的設備中，我們可以把他們所有分類出來。”

    為了繼續進行初始的工作，研究者們現在正致力于證明他們這一技術對材料結構中缺陷的靈敏性。Short說：“我們正在創造簡單的缺陷，并且測試信號，從而預測缺陷的影響，我們想要知道我們能夠達到多大的靈敏性。”

    該研究團隊在他們測試中使用了不同的材料，但大部分集中在單晶鋁材料。Short解釋道，他們選擇那種材料是因為單晶鋁是最具挑戰的材料之一。由于激光引起表面聲波，晶體結構具有不同的排列，當你旋轉樣品時，它的聲波回復也會發生改變，但它改變得非常少。因此如果我們能夠感知鋁在聲波中的那些微弱的改變，我們也會預備測試其他材料中的輻射影響。那些測試的結果表明他們的設備足夠靈敏地探測在波速小至千分之一的改變。這種方法可以以秒為單位的速度提供結果，而已存在的方法要以月或者年為單位來測試。

    他們說，研究們研究直接模擬瞬態光柵光譜的這種方法和他們自己的實驗一樣重要。通過仔細的分子動力學模擬，研究者們能夠精確地預測銅和鋁的預期結果，并且可以用實驗來確定這一預測結果。

    Short說：“這就是模擬起作用的地方，用模擬解釋原子尺度實驗測量的能力也非常具有啟發作用。”

    “現在，我們可以每隔五分鐘就采取一個數據點，所以你經常每個月可以獲得許多個數據點。這種更快速的測試手段對于推動下一代用于先進新反應堆的核燃料的覆蓋材料發展是十分重要的。現在，利用新反應堆的最大缺點是材料，而且最大的缺點是材料的測試。如果我們可以將測試時間從幾個月縮短到幾秒，我們就有辦法對付那個瓶頸。”Short說。

    盡管他們最初的測試在更大的實驗室設備中進行的，Short說，在一個小的便攜式設備中重新實現那些功能，應該會十分簡單。這種小的便攜式設備可能會被隨身攜帶用于實地試驗，或者永久地安裝在反應堆容器的戰略性監測點上。

    并未參與這項研究的英國牛津大學工程學的助理教授Felix Hoffman說：“這是一項將實驗和模擬研究完美結合的研究工作。”

    他說：“瞬態光柵（TG）方法提供了一種新的替代測量輻射損傷的傳統技術，這種方法快速、無損，并且在樣品制備方面要求不高，不要求樣品表面拋光磨平。這是一種和TEM、原子探針或者那些要求長時間樣品制備的微機械完全相反的方法。如果系統能夠微型化并且可以有效地隨身攜帶來進行原位測試，這將會為探測由于輻射引起的材料性能變化提供巨大的可能性。”

    田納西大學核科學系主席Steven Zinkle，同樣沒有參與這項工作，他說：“論文作者已經證明了監測和量化中尺度點缺陷的一種意義重大、通用的先進方法。隨著進一步優化改進，這種新發展起來的TG光譜技術可能會增進我們對發生在更大范圍的、在核反應堆產生的離子束處理或者中子沖擊下純材料和工程合金的實時缺陷的理解。”