麻省理工學院化學系的研究團隊開發出一種新的分析方法，其可以改變原有高輻射材料損傷測試方法測試時間長等缺點。這項技術可以允許對這些材料進行連續監測，而無需將其從輻射環境中移除。 這可以大大加快測試過程，并減少使用的材料的預防性更換。

    暴露于諸如核反應堆容器內部的高輻射環境的材料會發生逐漸降解和削弱。但要確定這些材料遭受的損害程度，通常需要取出樣品并在專門設施中進行測試，這個過程可能需要幾周的時間。

    麻省理工學院化學系的研究人員開發的一種分析方法可以改變這種現狀——可以允許對這些材料進行連續監測，而無需將其從輻射環境中移除。 這可以大大加快測試過程，并減少事實上是安全和可繼續使用的材料的預防性更換。

    這項研究結果在 “Physical Review B”雜志上發表，發表在研究生Cody Dennett，核科學和工程助理教授Michael Short和另外六人的論文中。

    當談到測量材料中的輻射損傷時，Short說，“大多數當前的方法是緩慢和昂貴的。”例如，被認為是黃金標準測試的方法——透射電子顯微鏡（TEM），可以對材料中的許多在其性質的變化有影響的缺陷產生全面的數據。但不是所有的影響材料的屬性的缺陷都可以在TEM中看到，因此測試不能提供完整的數據。

    “我們不只是對材料有多少空隙或空缺感興趣，我們真正想知道的是材料性能如何變化。”Short說。缺陷指的是一個或多個原子從材料的晶格中缺失的地方。

    該團隊在一種稱為瞬態光柵光譜學的技術中找到了答案。本質上，這是一種通過在材料表面上誘導和監測聲波來測量材料的熱和彈性性質的方法。雖然系統僅“看到”材料的外表面，但是這些聲振動受到材料結構中的內部缺陷的影響。這種效果類似于地質學家通過研究地震波在不同方向上傳播的方式來構造地球內部層的圖片的方式。

    該系統通過使用瞄準樣品的兩個脈沖激光束以這樣的方式產生這些聲振蕩，使得兩個光束的光波產生干涉圖案。該干涉圖案導致在樣品表面處的加熱，從而產生駐聲波。由該波引起的表面運動可以由另一組激光器監測。Short說：“我們創造了可以起波紋的聲波，并且測量移動的速度和衰變的速度。”然而因為沒有任何物理接觸。團隊的工作最初面臨一些懷疑。人們說，“你怎么知道這種技術足夠敏感？”但是通過精確的實驗，這項技術“幾乎完美”地匹配理論模擬，他們證明了其必要的靈敏度。Short說。“這些關鍵問題對我們來說很重要，并激勵我們進行這項研究”。

    對于同一個測試，該團隊比較了兩批由具有不同表面取向的完美單晶組成的鋁樣品。雖然內部原子排列是不同的，但“他們用肉眼或顯微鏡看起來是相同的。我們把它們全部放在我們的設備，并且我們能夠將所有的進行區分。”他說。

    為了跟蹤他們的初始工作，研究人員正在努力證明他們的技術對材料結構中的微小缺陷的敏感性。“我們正在創造簡單的缺陷，然后測量信號，并預測影響。我們想要展示我們能得到多么敏感的結果。”Short說。

    團隊在測試中使用了不同的材料，但主要集中在單晶鋁上。他們選擇了這種材料，因為它是目前最具挑戰性的一個。Short解釋說，“當你旋轉樣品，其聲學會響應性變化”，因為晶體結構與激光誘導表面聲波相對照。“但它變化很少。 因此，如果我們能夠感覺到鋁中波速的微妙變化，那么我們就可以在其他材料中測量輻射效應。”這些測試的結果表明，他們的設備足夠靈敏，以檢測聲波速度的變化小到千分之一。它可以使現有方法縮短至“幾秒鐘，而不是幾個月或幾年”。

    他們說，研究人員開發的直接模擬瞬態光柵光譜法的方法與測量本身一樣重要。使用詳盡的分子動力學模擬，研究人員能夠準確地預測銅和鋁的預期響應，并通過測量確認這種預測。“這些模擬最強大的含義，是我們可以在計算機中創建新的結構并預測他們的信號。一些缺陷太復雜，使我們不能僅使用理論來預測其信號。這就是需要模擬的地方。使用模擬來解釋原子尺度上的實驗測量的能力也是一種極端啟發。”他說。

    “現在，我們可以每5分鐘獲取一個數據點，而通常原有方法每個月才會得到幾個數據點。這種更快的測試對于能夠開發新一代用于先進新反應堆的核燃料的包層材料至關重要。”現在，部署新反應堆的最大短板是材料，而材料的最大的短板是測試。如果我們可以將幾個月縮短到幾秒鐘，我們就可以繞過這個瓶頸。“他說。

    雖然他們的初始測試是在較大的實驗室設置下完成的，但Short說，在一個小型，便攜式設備中重現這些功能是很簡單的。這種設備即一種可以攜帶進行現場測試或永久安裝在反應堆容器內的戰略監測點的設備。

    英國牛津大學工程科學副教授Felix Hoffman說，這是一個偉大的工作，結合了實驗和建模工作。（他沒有參與這項工作）他說：”瞬態光柵（TG）方法為測量輻射損傷的傳統技術提供了一個新的替代方法，因為它們快速，無損，并且在拋光表面之外所以不需要太多的樣品制備。“這與需要長時間樣品制備的TEM，原子探針或微觀力學形成鮮明對比……如果系統可以小型化并且具有足夠的便攜性以允許原位測量，這將為探測由于輻射產生的材料性能演變開辟巨大的可能性。

    田納西大學核工程系主任Steven Zinkle說：”作者已經展示了在監測和量化中尺度體積點缺陷方面的重要而多樣的進展。通過進一步細化，新開發的TG光譜技術可以導致對在暴露于離子束處理或在核反應堆的能量生產期間的中子轟擊時，在寬范圍的純材料和工程合金中發生的實時缺陷發展的理解的提升。“（Steven Zinkle也沒有參與這項工作）

    研究團隊還包括麻省理工學院博士后Penghui Cao；麻省理工學院研究生Sara Ferry；墨西哥CINVESTAV Unidad Merida的Alejandro Vega-Flick；麻省理工學院化學系的研究員Alexei Maznev； 麻省理工學院哈斯拉姆和杜威化學教授Keith Nelson；南非的Witwatersrand大學的Arthur Every。這項工作得到國家科學基金會，Transatomic Power，Inc.和美國核管理委員會的支持。

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責任編輯：劉洋

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