一直以來，研究者們測定材料輻射損傷的方法都十分復(fù)雜，最近，美國的科學(xué)家們研制出了一種叫瞬態(tài)光柵光譜的新方法，通過模擬與實(shí)驗(yàn)的方法，來進(jìn)行材料缺陷的監(jiān)測，這種方法快速、無損，可以大大提高我們對于材料實(shí)時缺陷的理解。

    當(dāng)材料置于像核反應(yīng)堆這樣的強(qiáng)輻射環(huán)境之內(nèi)時，會逐漸分解、減少。但是測定這些材料實(shí)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(shè)備下來進(jìn)行數(shù)周的測試。

    由麻省理工學(xué)院（MIT）化學(xué)系的研究者們研制、中尺度核材料實(shí)驗(yàn)室成員應(yīng)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(huán)境中拿出來，就能對材料進(jìn)行持續(xù)地監(jiān)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(yù)備代替品，代替品實(shí)際上也是安全可用的。

    近日，Physical Review B雜志在一篇由核科學(xué)與工程專業(yè)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(fā)現(xiàn)。

    Short說：“當(dāng)測試材料中的輻射損傷時，大部分當(dāng)前的檢測方法既慢又昂貴。”例如，這種測試的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)。

    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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)一種叫做瞬態(tài)光柵光譜可以解決這一問題。本質(zhì)上，這是一種通過引發(fā)監(jiān)測材料表面的聲波來進(jìn)行測試材料熱塑性能的方法。盡管，系統(tǒng)也觀察了材料的外表面，那些聲波變化被材料結(jié)構(gòu)中下表面的缺陷所影響。這種影響就像地理學(xué)家通過研究在不同方向地震波傳播的方式來構(gòu)造地球的內(nèi)部圖像。

    這個系統(tǒng)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(xué)振蕩。這些干涉圖樣在材料表面引發(fā)加熱，從而產(chǎn)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(jiān)測。

    該團(tuán)隊(duì)的研究工作剛開始面對著一些質(zhì)疑。Short說：“人們說，你怎么知道這種技術(shù)足夠靈敏呢？”。但是隨著幾乎完美匹配理論模擬的實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(jìn)行這項(xiàng)研究。”

    對于一項(xiàng)測試，團(tuán)隊(duì)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(nèi)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?nèi)恐糜谧约旱脑O(shè)備中，我們可以把他們所有分類出來。”

    為了繼續(xù)進(jìn)行初始的工作，研究者們現(xiàn)在正致力于證明他們這一技術(shù)對材料結(jié)構(gòu)中缺陷的靈敏性。Short說：“我們正在創(chuàng)造簡單的缺陷，并且測試信號，從而預(yù)測缺陷的影響，我們想要知道我們能夠達(dá)到多大的靈敏性。”

    該研究團(tuán)隊(duì)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?yàn)閱尉тX是最具挑戰(zhàn)的材料之一。由于激光引起表面聲波，晶體結(jié)構(gòu)具有不同的排列，當(dāng)你旋轉(zhuǎn)樣品時，它的聲波回復(fù)也會發(fā)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(yù)備測試其他材料中的輻射影響。那些測試的結(jié)果表明他們的設(shè)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(jié)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(tài)光柵光譜的這種方法和他們自己的實(shí)驗(yàn)一樣重要。通過仔細(xì)的分子動力學(xué)模擬，研究者們能夠精確地預(yù)測銅和鋁的預(yù)期結(jié)果，并且可以用實(shí)驗(yàn)來確定這一預(yù)測結(jié)果。

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

    “現(xiàn)在，我們可以每隔五分鐘就采取一個數(shù)據(jù)點(diǎn)，所以你經(jīng)常每個月可以獲得許多個數(shù)據(jù)點(diǎn)。這種更快速的測試手段對于推動下一代用于先進(jìn)新反應(yīng)堆的核燃料的覆蓋材料發(fā)展是十分重要的。現(xiàn)在，利用新反應(yīng)堆的最大缺點(diǎn)是材料，而且最大的缺點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室設(shè)備中進(jìn)行的，Short說，在一個小的便攜式設(shè)備中重新實(shí)現(xiàn)那些功能，應(yīng)該會十分簡單。這種小的便攜式設(shè)備可能會被隨身攜帶用于實(shí)地試驗(yàn)，或者永久地安裝在反應(yīng)堆容器的戰(zhàn)略性監(jiān)測點(diǎn)上。

    并未參與這項(xiàng)研究的英國牛津大學(xué)工程學(xué)的助理教授Felix Hoffman說：“這是一項(xiàng)將實(shí)驗(yàn)和模擬研究完美結(jié)合的研究工作。”

    他說：“瞬態(tài)光柵（TG）方法提供了一種新的替代測量輻射損傷的傳統(tǒng)技術(shù)，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(jī)械完全相反的方法。如果系統(tǒng)能夠微型化并且可以有效地隨身攜帶來進(jìn)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(xué)核科學(xué)系主席Steven Zinkle，同樣沒有參與這項(xiàng)工作，他說：“論文作者已經(jīng)證明了監(jiān)測和量化中尺度點(diǎn)缺陷的一種意義重大、通用的先進(jìn)方法。隨著進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，這種新發(fā)展起來的TG光譜技術(shù)可能會增進(jìn)我們對發(fā)生在更大范圍的、在核反應(yīng)堆產(chǎn)生的離子束處理或者中子沖擊下純材料和工程合金的實(shí)時缺陷的理解。”