新方法监测材料辐射损伤——快速，无损！

材料牛注：一直以来，研究者们测定材料辐射损伤的方法都十分复杂，最近，美国的科学家们研制出了一种叫瞬态光栅光谱的新方法，通过模拟与实验的方法，来进行材料缺陷的监测，这种方法快速、无损，可以大大提高我们对于材料实时缺陷的理解。

当材料置于像核反应堆这样的强辐射环境之内时，会逐渐分解、减少。但是测定这些材料实际上遭受的损伤，通常要求拿出来一个样品，在一种特定的设备下来进行数周的测试。

由麻省理工学院(MIT)化学系的研究者们研制、中尺度核材料实验室成员应用的一种分析方法，可以改变这种情况。这种方法可能允许研究者们不必将待测材料从辐射环境中拿出来，就能对材料进行持续地监测。这种方法也可以大大提高测试程序的速度，减少材料的预备代替品，代替品实际上也是安全可用的。

近日，Physical Review B杂志在一篇由核科学与工程专业的研究生Cody Dennett、助理教授Michael Short和其他六位作者的文章中报道了这一发现。

Short说：“当测试材料中的辐射损伤时，大部分当前的检测方法既慢又昂贵。”例如，这种测试的标准方法——透射电子显微镜 (TEM)，可以提供许多缺陷的综合性信息，这些缺陷可以改变材料的性能。但不是所有可以改变材料性能的缺陷都能在TEM中看到，因此这个测试不能提供完整的数据。

谈及或多或少原子从材料晶格中流失的位置时，Shorts说：“我们不仅仅对材料含有多少缺陷感兴趣，我们真正想知道的材料性能是如何改变的。”

研究团队发现一种叫做瞬态光栅光谱可以解决这一问题。本质上，这是一种通过引发监测材料表面的声波来进行测试材料热塑性能的方法。尽管，系统也观察了材料的外表面，那些声波变化被材料结构中下表面的缺陷所影响。这种影响就像地理学家通过研究在不同方向地震波传播的方式来构造地球的内部图像。

这个系统通过使用两种脉冲激光光束照射样品，引起干涉图样，从而制造这些声学振荡。这些干涉图样在材料表面引发加热，从而产生一种永久的声波。由这些声波引起表面的变化可以被另一套激光所监测。

该团队的研究工作刚开始面对着一些质疑。Short说：“人们说，你怎么知道这种技术足够灵敏呢？”。但是随着几乎完美匹配理论模拟的实验进行，他们证明了必要的灵敏性，他说：“那些批判性问题对我们来说是十分重要的，可以激励我们进行这项研究。”

对于一项测试，团队比较了两批由不同表面取向的完美单晶组成的铝样品。尽管内部原子排列不同，他说：“他们在眼睛或者在显微镜中看起来是完全相同的，我们将他们全部置于自己的设备中，我们可以把他们所有分类出来。”

为了继续进行初始的工作，研究者们现在正致力于证明他们这一技术对材料结构中缺陷的灵敏性。Short说：“我们正在创造简单的缺陷，并且测试信号，从而预测缺陷的影响，我们想要知道我们能够达到多大的灵敏性。”

该研究团队在他们测试中使用了不同的材料，但大部分集中在单晶铝材料。Short解释道，他们选择那种材料是因为单晶铝是最具挑战的材料之一。由于激光引起表面声波，晶体结构具有不同的排列，当你旋转样品时，它的声波回复也会发生改变，但它改变得非常少。因此如果我们能够感知铝在声波中的那些微弱的改变，我们也会预备测试其他材料中的辐射影响。那些测试的结果表明他们的设备足够灵敏地探测在波速小至千分之一的改变。这种方法可以以秒为单位的速度提供结果，而已存在的方法要以月或者年为单位来测试。

他们说，研究们研究直接模拟瞬态光栅光谱的这种方法和他们自己的实验一样重要。通过仔细的分子动力学模拟，研究者们能够精确地预测铜和铝的预期结果，并且可以用实验来确定这一预测结果。

Short说：“这就是模拟起作用的地方，用模拟解释原子尺度实验测量的能力也非常具有启发作用。”

“现在，我们可以每隔五分钟就采取一个数据点，所以你经常每个月可以获得许多个数据点。这种更快速的测试手段对于推动下一代用于先进新反应堆的核燃料的覆盖材料发展是十分重要的。现在，利用新反应堆的最大缺点是材料，而且最大的缺点是材料的测试。如果我们可以将测试时间从几个月缩短到几秒，我们就有办法对付那个瓶颈。”Short说。

尽管他们最初的测试在更大的实验室设备中进行的，Short说，在一个小的便携式设备中重新实现那些功能，应该会十分简单。这种小的便携式设备可能会被随身携带用于实地试验，或者永久地安装在反应堆容器的战略性监测点上。

并未参与这项研究的英国牛津大学工程学的助理教授Felix Hoffman说：“这是一项将实验和模拟研究完美结合的研究工作。”

他说：“瞬态光栅(TG)方法提供了一种新的替代测量辐射损伤的传统技术，这种方法快速、无损，并且在样品制备方面要求不高，不要求样品表面抛光磨平。这是一种和TEM、原子探针或者那些要求长时间样品制备的微机械完全相反的方法。如果系统能够微型化并且可以有效地随身携带来进行原位测试，这将会为探测由于辐射引起的材料性能变化提供巨大的可能性。”

田纳西大学核科学系主席Steven Zinkle，同样没有参与这项工作，他说：“论文作者已经证明了监测和量化中尺度点缺陷的一种意义重大、通用的先进方法。随着进一步优化改进，这种新发展起来的TG光谱技术可能会增进我们对发生在更大范围的、在核反应堆产生的离子束处理或者中子冲击下纯材料和工程合金的实时缺陷的理解。”

原文链接：Measuring Radiation Damage On The Fly.

文献链接：Bridging the gap to mesoscale radiation materials science with transient grating spectroscopy.

本文由材料人编辑部丁菲菲提供素材，樊超编译，点我加入编辑部。

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