暴露于諸如核反應堆容器內(nèi)部的高輻射環(huán)境的材料會逐漸降解和減弱。但是要確切地確定這些材料受到的損壞通常需要移除樣品并在專門的設施中進行測試，這個過程可能需要數(shù)周時間。

由麻省理工學院化學系的研究人員開發(fā)并由麻省理工學院中尺度核材料實驗室成員應用的分析方法可以改變這一點，可能需要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安全和可用的材料的預防性更換。

該研究結果將于本周在物理評論B期刊上發(fā)表，該研究由研究生Cody Dennett，核科學與工程助理教授Michael Short以及其他六位研究人員撰寫。

在談到測量材料中的輻射損傷時，肖說，“目前大多數(shù)方法都很慢而且價格昂貴。” 例如，被認為是這種測試的金標準的方法，透射電子顯微鏡(TEM)，產(chǎn)生關于材料中導致其性質(zhì)變化的許多缺陷的綜合數(shù)據(jù)。但并非所有影響材料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)。

“我們不只是對你有多少空洞或空位感興趣，”肖說，指的是材料晶格中缺少一個或多個原子的地方。“我們真正想知道的是材料特性是如何變化的。”

該團隊在一種稱為瞬態(tài)光柵光譜的技術中找到了答案?；旧?，這是一種通過誘導和監(jiān)測材料表面上的聲波來測量材料的熱和彈性的方法。盡管系統(tǒng)僅“看到”材料的外表面，但是這些聲學振動受到材料結構中的表面下缺陷的影響。這種效應類似于地質(zhì)學家通過研究地震波在不同方向上傳播的方式來構建地球內(nèi)部層的圖像的方式。

該系統(tǒng)通過使用兩個針對樣品的脈沖激光束產(chǎn)生這些聲振蕩，使得兩個光束的光波產(chǎn)生干涉圖案。該干涉圖案引起樣品表面的加熱，產(chǎn)生駐波聲波。由該波引起的表面運動可以由另一組激光器監(jiān)測。“我們創(chuàng)造了波紋的聲波，”肖說，“并測量它們移動的速度和衰減的速度，”沒有以任何方式物理接觸材料。

該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?'”肖說。但他說，通過仔細的實驗??，“幾乎完美地”匹配理論模擬，他們證明了必要的靈敏度。“這些關鍵問題對我們來說非常重要，并且促使我們進行這項研究。”

對于一項測試，該團隊比較了兩批鋁樣品，這些樣品由具有不同表面取向的完美單晶組成。雖然內(nèi)部原子排列不同，“它們看起來與眼睛或顯微鏡相同，”他說。“我們將它們?nèi)糠湃胛覀兊脑O備中，我們能夠將它們整理出來。”

為了跟進他們的初步工作，研究人員正在努力證明他們的技術對材料結構中微小缺陷的敏感性。“我們正在制造簡單的缺陷，然后測量信號，預測影響，”Short說。“我們希望表明我們能夠獲得多么敏感。”

該團隊在測試中使用了不同的材料，但主要集中在單晶鋁上。他們之所以選擇這種材料是因為它是最具挑戰(zhàn)性的材料之一。“當你旋轉樣品時，它的聲響應會發(fā)生變化”，因為晶體結構與激光誘導的表面聲??波不同。“但它變化很小。因此，如果我們能夠感知鋁中波速的微妙變化，那么我們已經(jīng)準備好在其他材料中測量輻射效應”。這些測試的結果表明，他們的設備足夠敏感，可以檢測到聲波速度變化，只有1%的十分之一。它可以為現(xiàn)有方法提供“以秒為單位，而不是數(shù)月或數(shù)年”的答案。

他們說，研究人員開發(fā)的用于直接模擬瞬態(tài)光柵光譜的方法與測量本身一樣重要。通過仔細的分子動力學模擬，研究人員能夠準確預測銅和鋁的預期響應，并通過測量確認這一預測。“對這些模擬最有力的影響，”Short說，“我們可以在計算機中創(chuàng)建新的結構并預測它們的信號。有些缺陷太復雜，我們無法僅使用理論來預測它們的信號。這就是模擬的來源“。他說，使用模擬來解釋原子尺度上的實驗測量的能力也“非常有啟發(fā)性”。

“現(xiàn)在，我們可以每隔5分鐘獲取一個數(shù)據(jù)點，通常每月會得到一些數(shù)據(jù)點，”他說。他說，這種更快速的測試對于為新型反應堆開發(fā)新一代核燃料包層材料至關重要。“現(xiàn)在，部署新反應堆的最大缺點是材料，最大的缺點是測試。如果我們可以從幾個月到幾秒鐘，我們可以解決這個瓶頸問題。”

盡管他們的初步測試是通過更大的實驗室設置完成的，但Short說，在一個小型的便攜式設備中重現(xiàn)這些功能應該非常簡單，這些設備可以隨身攜帶進行現(xiàn)場測試或永久安裝在反應堆容器內(nèi)的戰(zhàn)略監(jiān)測點。