麻省理工學(xué)院化學(xué)系的研究團隊開發(fā)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(shù)可以允許對這些材料進行連續(xù)監(jiān)測，而無需將其從輻射環(huán)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(yù)防性更換。

 

 

暴露于諸如核反應(yīng)堆容器內(nèi)部的高輻射環(huán)境的材料會發(fā)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(shè)施中進行測試，這個過程可能需要幾周的時間。

 

麻省理工學(xué)院化學(xué)系的研究人員開發(fā)的一種分析方法可以改變這種現(xiàn)狀——可以允許對這些材料進行連續(xù)監(jiān)測，而無需將其從輻射環(huán)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(xù)使用的材料的預(yù)防性更換。

 

這項研究結(jié)果在 “Physical Review B”雜志上發(fā)表，發(fā)表在研究生Cody Dennett，核科學(xué)和工程助理教授Michael Short和另外六人的論文中。

 

當(dāng)談到測量材料中的輻射損傷時，Short說，“大多數(shù)當(dāng)前的方法是緩慢和昂貴的。”例如，被認(rèn)為是黃金標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)的變化有影響的缺陷產(chǎn)生全面的數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)。

 

“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?！盨hort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(tài)光柵光譜學(xué)的技術(shù)中找到了答案。本質(zhì)上，這是一種通過在材料表面上誘導(dǎo)和監(jiān)測聲波來測量材料的熱和彈性性質(zhì)的方法。雖然系統(tǒng)僅“看到”材料的外表面，但是這些聲振動受到材料結(jié)構(gòu)中的內(nèi)部缺陷的影響。這種效果類似于地質(zhì)學(xué)家通過研究地震波在不同方向上傳播的方式來構(gòu)造地球內(nèi)部層的圖片的方式。

 

該系統(tǒng)通過使用瞄準(zhǔn)樣品的兩個脈沖激光束以這樣的方式產(chǎn)生這些聲振蕩，使得兩個光束的光波產(chǎn)生干涉圖案。該干涉圖案導(dǎo)致在樣品表面處的加熱，從而產(chǎn)生駐聲波。由該波引起的表面運動可以由另一組激光器監(jiān)測。Short說：“我們創(chuàng)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?！比欢驗闆]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(shù)足夠敏感？”但是通過精確的實驗，這項技術(shù)“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?！斑@些關(guān)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(nèi)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?nèi)糠旁谖覀兊脑O(shè)備，并且我們能夠?qū)⑺械倪M行區(qū)分?！彼f。

 

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(shù)對材料結(jié)構(gòu)中的微小缺陷的敏感性?！拔覀冋趧?chuàng)造簡單的缺陷，然后測量信號，并預(yù)測影響。我們想要展示我們能得到多么敏感的結(jié)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(zhàn)性的一個。Short解釋說，“當(dāng)你旋轉(zhuǎn)樣品，其聲學(xué)會響應(yīng)性變化”，因為晶體結(jié)構(gòu)與激光誘導(dǎo)表面聲波相對照?！暗兓苌?。 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(yīng)。”這些測試的結(jié)果表明，他們的設(shè)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(xiàn)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(fā)的直接模擬瞬態(tài)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(xué)模擬，研究人員能夠準(zhǔn)確地預(yù)測銅和鋁的預(yù)期響應(yīng)，并通過測量確認(rèn)這種預(yù)測?！斑@些模擬最強大的含義，是我們可以在計算機中創(chuàng)建新的結(jié)構(gòu)并預(yù)測他們的信號。一些缺陷太復(fù)雜，使我們不能僅使用理論來預(yù)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(fā)?！八f。

 

“現(xiàn)在，我們可以每5分鐘獲取一個數(shù)據(jù)點，而通常原有方法每個月才會得到幾個數(shù)據(jù)點。這種更快的測試對于能夠開發(fā)新一代用于先進新反應(yīng)堆的核燃料的包層材料至關(guān)重要?！艾F(xiàn)在，部署新反應(yīng)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?！彼f。

 

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

 

英國牛津大學(xué)工程科學(xué)副教授Felix Hoffman說，這是一個偉大的工作，結(jié)合了實驗和建模工作。（他沒有參與這項工作）他說：“瞬態(tài)光柵（TG）方法為測量輻射損傷的傳統(tǒng)技術(shù)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(xué)形成鮮明對比……如果系統(tǒng)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(chǎn)生的材料性能演變開辟巨大的可能性。

 

田納西大學(xué)核工程系主任Steven Zinkle說：“作者已經(jīng)展示了在監(jiān)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(fā)的TG光譜技術(shù)可以導(dǎo)致對在暴露于離子束處理或在核反應(yīng)堆的能量生產(chǎn)期間的中子轟擊時，在寬范圍的純材料和工程合金中發(fā)生的實時缺陷發(fā)展的理解的提升?！保⊿teven Zinkle也沒有參與這項工作）

 

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