材料輻射損傷現(xiàn)在可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了！

為了評(píng)估一種材料在核反應(yīng)堆內(nèi)承受高輻射環(huán)境的能力，研究人員傳統(tǒng)上都是采用“先實(shí)驗(yàn)、再觀察”的方法，即將該材料暴露在高輻射環(huán)境中，然后取出進(jìn)行檢測(cè)。但是這個(gè)過(guò)程通常都比較耗時(shí)，極大地阻礙了一些未來(lái)新型反應(yīng)堆以及新材料的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

但是現(xiàn)在，來(lái)自美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)和桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Sandia National laboratory)的研究人員成功開(kāi)發(fā)出了一種新型系統(tǒng)并進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，該系統(tǒng)可以連續(xù)監(jiān)測(cè)輻射在材料中引發(fā)的變化，比傳統(tǒng)方法提供的數(shù)據(jù)更加有效，而且速度更快。

美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室安裝并測(cè)試了這種新型輻射損傷檢測(cè)系統(tǒng)。輻射損傷過(guò)程可以在位于圖像右側(cè)的黑色激光罩后面的靶室中觀察到。

根據(jù)現(xiàn)有的一些規(guī)定，許多核電站的運(yùn)行壽命已接近尾聲，了解核電站內(nèi)部材料的狀態(tài)對(duì)于了解核電站運(yùn)行狀況、能否延長(zhǎng)安全使用時(shí)間以及延長(zhǎng)多久是至關(guān)重要的。

據(jù)研究人員說(shuō)，這套新型系統(tǒng)是基于激光原理，利用了瞬態(tài)光柵光譜學(xué)技術(shù)，通過(guò)激光束探測(cè)材料表面的微小變化以及物理性質(zhì)的變化，例如材料的彈性和熱擴(kuò)散率等，從而揭示材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的細(xì)節(jié)，并且不會(huì)對(duì)被測(cè)材料產(chǎn)生損傷或者其他改變。

瞬態(tài)光柵光譜學(xué)技術(shù)其實(shí)在早些時(shí)候就已被開(kāi)發(fā)出來(lái)，但一直未被用來(lái)研究輻射損傷的影響，如材料在不開(kāi)裂的情況下導(dǎo)熱能力和應(yīng)力的變化情況。對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行調(diào)整和創(chuàng)新，使其能夠在具有輻射的惡劣環(huán)境下對(duì)材料進(jìn)行研究經(jīng)歷了很多年的發(fā)展歷程。

為了模擬中子轟擊的效果，研究人員通常會(huì)使用離子束（中子轟擊是導(dǎo)致反應(yīng)堆環(huán)境中大部分物質(zhì)降解的輻射類(lèi)型），離子束會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似的效果且更容易控制，也更安全。因此，研究團(tuán)隊(duì)采用了桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的一個(gè)6兆伏特離子加速器作為新系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它可以在短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)模擬長(zhǎng)年暴露在中子轟擊環(huán)境中的影響。

麻省理工學(xué)院的博士研究生Cody a. Dennett解釋道：“通過(guò)使用該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，可以精確地確定材料的物理變化開(kāi)始加速的時(shí)間，這種加速往往發(fā)生得相當(dāng)突然，而且進(jìn)展迅速。通過(guò)在這一時(shí)間點(diǎn)停止實(shí)驗(yàn)，就有可能詳細(xì)研究在這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻到底發(fā)生了什么。這讓我們能夠找出這些結(jié)構(gòu)性變化背后的原因和機(jī)理”。

麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程教授Michael P. Short說(shuō)道：“該系統(tǒng)可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)對(duì)給定材料的性能進(jìn)行詳細(xì)的研究，而在其他情況下，這可能需要幾個(gè)月的時(shí)間才能完成第一次的迭代實(shí)驗(yàn)，從而找到材料開(kāi)始退化的時(shí)間點(diǎn)。對(duì)于一個(gè)完整的特征描述，使用新系統(tǒng)可能只需要一天的時(shí)間，而使用傳統(tǒng)方法則可能需要半年甚至更久”。

“該系統(tǒng)利用激光束刺激材料振動(dòng)，然后用第二束激光觀察材料表面的振動(dòng)，直接探測(cè)材料的彈性剛度和熱性能”，Denneet進(jìn)一步解釋道：“這種測(cè)量可以用來(lái)推斷其他相關(guān)特征，包括缺陷和損傷累積等。它們可以告訴你關(guān)于材料變化的潛在機(jī)制的東西，這才是最重要的”。

研究人員還透露，在對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試的過(guò)程中使用了兩種純金屬——鎳和鎢。但其實(shí)該設(shè)備可以用來(lái)測(cè)試各種合金和純金屬，也可以測(cè)試許多其他種類(lèi)的材料。Denneet說(shuō)道：“令我們非常興奮的原因之一是，當(dāng)我們?cè)诳蒲袝?huì)議上描述這種方法時(shí)，與我們交談過(guò)的每個(gè)人都會(huì)問(wèn)，‘能在我的材料上試用一下嗎?’每個(gè)人都知道如果這套系統(tǒng)可以測(cè)試自己的特殊材料意味著什么，一旦可以測(cè)試，他們就可以在研究中更快地取得進(jìn)展”。

現(xiàn)在，這個(gè)新型的設(shè)施正在桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室里運(yùn)行，研究團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行的工作主要是進(jìn)一步提高其檢測(cè)能力。Denneet表示未來(lái)希望能增加更多不同的診斷工具來(lái)探測(cè)照射過(guò)程中材料的更多特性。

佐治亞理工學(xué)院(Georgia Tech)負(fù)責(zé)學(xué)術(shù)事務(wù)的教授兼副院長(zhǎng)Laurence J. Jacobs雖然沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，但對(duì)該項(xiàng)目高度贊揚(yáng)。“這項(xiàng)工作是一種非常好的工程方法，是一項(xiàng)關(guān)于非接觸式、無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的杰出研究，可以讓研究人員實(shí)時(shí)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)材料在離子束照射下的力學(xué)性能變化，表征出各種材料對(duì)輻射損傷的反應(yīng)特征”。

這種新型系統(tǒng)兩年來(lái)經(jīng)過(guò)廣泛的測(cè)試，已經(jīng)準(zhǔn)備好供研究人員廣泛使用，可用于輔助開(kāi)發(fā)下一代反應(yīng)堆的新材料，或幫助研究人員更好地理解在反應(yīng)堆容器內(nèi)的惡劣輻射環(huán)境下，材料是如何隨著時(shí)間的推移而降解的，進(jìn)而指導(dǎo)技術(shù)人員更好的延長(zhǎng)現(xiàn)有反應(yīng)堆的安全使用壽命。該技術(shù)成果已發(fā)表在《Nuclear Instruments and Methods》期刊上。

作者：David L. Chandler
來(lái)源：phys.org
譯者：Vince
參考文獻(xiàn)：Cody A. Dennett et al. Real-time thermomechanical property monitoring during ion beam irradiation using in situ transient grating spectroscopy, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms (2018). DOI: 10.1016/j.nimb.2018.10.025