在飞行中测量辐射损伤

暴露于诸如核反应堆容器内部的高辐射环境的材料会逐渐降解和减弱。但是要确切地确定这些材料受到的损坏通常需要移除样品并在专门的设施中进行测试，这个过程可能需要数周时间。

由麻省理工学院化学系的研究人员开发并由麻省理工学院中尺度核材料实验室成员应用的分析方法可以改变这一点，可能需要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安全和可用的材料的预防性更换。

该研究结果将于本周在物理评论B期刊上发表，该研究由研究生Cody Dennett，核科学与工程助理教授Michael Short以及其他六位研究人员撰写。

在谈到测量材料中的辐射损伤时，肖说，“目前大多数方法都很慢而且价格昂贵。” 例如，被认为是这种测试的金标准的方法，透射电子显微镜(TEM)，产生关于材料中导致其性质变化的许多缺陷的综合数据。但并非所有影响材料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。

“我们不只是对你有多少空洞或空位感兴趣，”肖说，指的是材料晶格中缺少一个或多个原子的地方。“我们真正想知道的是材料特性是如何变化的。”

该团队在一种称为瞬态光栅光谱的技术中找到了答案。基本上，这是一种通过诱导和监测材料表面上的声波来测量材料的热和弹性的方法。尽管系统仅“看到”材料的外表面，但是这些声学振动受到材料结构中的表面下缺陷的影响。这种效应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建地球内部层的图像的方式。

该系统通过使用两个针对样品的脉冲激光束产生这些声振荡，使得两个光束的光波产生干涉图案。该干涉图案引起样品表面的加热，产生驻波声波。由该波引起的表面运动可以由另一组激光器监测。“我们创造了波纹的声波，”肖说，“并测量它们移动的速度和衰减的速度，”没有以任何方式物理接触材料。

该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?'”肖说。但他说，通过仔细的实验​​，“几乎完美地”匹配理论模拟，他们证明了必要的灵敏度。“这些关键问题对我们来说非常重要，并且促使我们进行这项研究。”

对于一项测试，该团队比较了两批铝样品，这些样品由具有不同表面取向的完美单晶组成。虽然内部原子排列不同，“它们看起来与眼睛或显微镜相同，”他说。“我们将它们全部放入我们的设备中，我们能够将它们整理出来。”

为了跟进他们的初步工作，研究人员正在努力证明他们的技术对材料结构中微小缺陷的敏感性。“我们正在制造简单的缺陷，然后测量信号，预测影响，”Short说。“我们希望表明我们能够获得多么敏感。”

该团队在测试中使用了不同的材料，但主要集中在单晶铝上。他们之所以选择这种材料是因为它是最具挑战性的材料之一。“当你旋转样品时，它的声响应会发生变化”，因为晶体结构与激光诱导的表面声​​波不同。“但它变化很小。因此，如果我们能够感知铝中波速的微妙变化，那么我们已经准备好在其他材料中测量辐射效应”。这些测试的结果表明，他们的设备足够敏感，可以检测到声波速度变化，只有1%的十分之一。它可以为现有方法提供“以秒为单位，而不是数月或数年”的答案。

他们说，研究人员开发的用于直接模拟瞬态光栅光谱的方法与测量本身一样重要。通过仔细的分子动力学模拟，研究人员能够准确预测铜和铝的预期响应，并通过测量确认这一预测。“对这些模拟最有力的影响，”Short说，“我们可以在计算机中创建新的结构并预测它们的信号。有些缺陷太复杂，我们无法仅使用理论来预测它们的信号。这就是模拟的来源“。他说，使用模拟来解释原子尺度上的实验测量的能力也“非常有启发性”。

“现在，我们可以每隔5分钟获取一个数据点，通常每月会得到一些数据点，”他说。他说，这种更快速的测试对于为新型反应堆开发新一代核燃料包层材料至关重要。“现在，部署新反应堆的最大缺点是材料，最大的缺点是测试。如果我们可以从几个月到几秒钟，我们可以解决这个瓶颈问题。”

尽管他们的初步测试是通过更大的实验室设置完成的，但Short说，在一个小型的便携式设备中重现这些功能应该非常简单，这些设备可以随身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。