材料辐射损伤测量新方法

材料人注：麻省理工学院化学系的研究团队开发出一种新的分析方法，其可以改变原有高辐射材料损伤测试方法测试时间长等缺点。这项技术可以允许对这些材料进行连续监测，而无需将其从辐射环境中移除。 这可以大大加快测试过程，并减少使用的材料的预防性更换。

暴露于诸如核反应堆容器内部的高辐射环境的材料会发生逐渐降解和削弱。但要确定这些材料遭受的损害程度，通常需要取出样品并在专门设施中进行测试，这个过程可能需要几周的时间。

麻省理工学院化学系的研究人员开发的一种分析方法可以改变这种现状——可以允许对这些材料进行连续监测，而无需将其从辐射环境中移除。 这可以大大加快测试过程，并减少事实上是安全和可继续使用的材料的预防性更换。

这项研究结果在 “Physical Review B”杂志上发表，发表在研究生Cody Dennett，核科学和工程助理教授Michael Short和另外六人的论文中。

当谈到测量材料中的辐射损伤时，Short说，“大多数当前的方法是缓慢和昂贵的。”例如，被认为是黄金标准测试的方法——透射电子显微镜（TEM），可以对材料中的许多在其性质的变化有影响的缺陷产生全面的数据。但不是所有的影响材料的属性的缺陷都可以在TEM中看到，因此测试不能提供完整的数据。

“我们不只是对材料有多少空隙或空缺感兴趣，我们真正想知道的是材料性能如何变化。”Short说。缺陷指的是一个或多个原子从材料的晶格中缺失的地方。

该团队在一种称为瞬态光栅光谱学的技术中找到了答案。本质上，这是一种通过在材料表面上诱导和监测声波来测量材料的热和弹性性质的方法。虽然系统仅“看到”材料的外表面，但是这些声振动受到材料结构中的内部缺陷的影响。这种效果类似于地质学家通过研究地震波在不同方向上传播的方式来构造地球内部层的图片的方式。

该系统通过使用瞄准样品的两个脉冲激光束以这样的方式产生这些声振荡，使得两个光束的光波产生干涉图案。该干涉图案导致在样品表面处的加热，从而产生驻声波。由该波引起的表面运动可以由另一组激光器监测。Short说：“我们创造了可以起波纹的声波，并且测量移动的速度和衰变的速度。”然而因为没有任何物理接触。团队的工作最初面临一些怀疑。人们说，“你怎么知道这种技术足够敏感？”但是通过精确的实验，这项技术“几乎完美”地匹配理论模拟，他们证明了其必要的灵敏度。Short说。“这些关键问题对我们来说很重要，并激励我们进行这项研究”。

对于同一个测试，该团队比较了两批由具有不同表面取向的完美单晶组成的铝样品。虽然内部原子排列是不同的，但“他们用肉眼或显微镜看起来是相同的。我们把它们全部放在我们的设备，并且我们能够将所有的进行区分。”他说。

为了跟踪他们的初始工作，研究人员正在努力证明他们的技术对材料结构中的微小缺陷的敏感性。“我们正在创造简单的缺陷，然后测量信号，并预测影响。我们想要展示我们能得到多么敏感的结果。”Short说。

团队在测试中使用了不同的材料，但主要集中在单晶铝上。他们选择了这种材料，因为它是目前最具挑战性的一个。Short解释说，“当你旋转样品，其声学会响应性变化”，因为晶体结构与激光诱导表面声波相对照。“但它变化很少。 因此，如果我们能够感觉到铝中波速的微妙变化，那么我们就可以在其他材料中测量辐射效应。”这些测试的结果表明，他们的设备足够灵敏，以检测声波速度的变化小到千分之一。它可以使现有方法缩短至“几秒钟，而不是几个月或几年”。

他们说，研究人员开发的直接模拟瞬态光栅光谱法的方法与测量本身一样重要。使用详尽的分子动力学模拟，研究人员能够准确地预测铜和铝的预期响应，并通过测量确认这种预测。“这些模拟最强大的含义，是我们可以在计算机中创建新的结构并预测他们的信号。一些缺陷太复杂，使我们不能仅使用理论来预测其信号。这就是需要模拟的地方。使用模拟来解释原子尺度上的实验测量的能力也是一种极端启发。“他说。

“现在，我们可以每5分钟获取一个数据点，而通常原有方法每个月才会得到几个数据点。这种更快的测试对于能够开发新一代用于先进新反应堆的核燃料的包层材料至关重要。“现在，部署新反应堆的最大短板是材料，而材料的最大的短板是测试。如果我们可以将几个月缩短到几秒钟，我们就可以绕过这个瓶颈。”他说。

虽然他们的初始测试是在较大的实验室设置下完成的，但Short说，在一个小型，便携式设备中重现这些功能是很简单的。这种设备即一种可以携带进行现场测试或永久安装在反应堆容器内的战略监测点的设备。

英国牛津大学工程科学副教授Felix Hoffman说，这是一个伟大的工作，结合了实验和建模工作。（他没有参与这项工作）他说：“瞬态光栅（TG）方法为测量辐射损伤的传统技术提供了一个新的替代方法，因为它们快速，无损，并且在抛光表面之外所以不需要太多的样品制备。“这与需要长时间样品制备的TEM，原子探针或微观力学形成鲜明对比……如果系统可以小型化并且具有足够的便携性以允许原位测量，这将为探测由于辐射产生的材料性能演变开辟巨大的可能性。

田纳西大学核工程系主任Steven Zinkle说：“作者已经展示了在监测和量化中尺度体积点缺陷方面的重要而多样的进展。通过进一步细化，新开发的TG光谱技术可以导致对在暴露于离子束处理或在核反应堆的能量生产期间的中子轰击时，在宽范围的纯材料和工程合金中发生的实时缺陷发展的理解的提升。”（Steven Zinkle也没有参与这项工作）

研究团队还包括麻省理工学院博士后Penghui Cao；麻省理工学院研究生Sara Ferry；墨西哥CINVESTAV Unidad Merida的Alejandro Vega-Flick；麻省理工学院化学系的研究员Alexei Maznev； 麻省理工学院哈斯拉姆和杜威化学教授Keith Nelson；南非的Witwatersrand大学的Arthur Every。这项工作得到国家科学基金会，Transatomic Power，Inc.和美国核管理委员会的支持。

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.

本文由编辑部顾玥提供素材，豆慧敏编译，点我加入材料人编辑部。

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