材料輻射損傷現在可以實時監測了！

為了評估一種材料在核反應堆內承受高輻射環境的能力，研究人員傳統上都是采用“先實驗、再觀察”的方法，即將該材料暴露在高輻射環境中，然后取出進行檢測。但是這個過程通常都比較耗時，極大地阻礙了一些未來新型反應堆以及新材料的開發進程。

但是現在，來自美國麻省理工學院(MIT)和桑迪亞國家實驗室(Sandia National laboratory)的研究人員成功開發出了一種新型系統并進行了相關測試，該系統可以連續監測輻射在材料中引發的變化，比傳統方法提供的數據更加有效，而且速度更快。

美國桑迪亞國家實驗室安裝并測試了這種新型輻射損傷檢測系統。輻射損傷過程可以在位于圖像右側的黑色激光罩后面的靶室中觀察到。

根據現有的一些規定，許多核電站的運行壽命已接近尾聲，了解核電站內部材料的狀態對于了解核電站運行狀況、能否延長安全使用時間以及延長多久是至關重要的。

據研究人員說，這套新型系統是基于激光原理，利用了瞬態光柵光譜學技術，通過激光束探測材料表面的微小變化以及物理性質的變化，例如材料的彈性和熱擴散率等，從而揭示材料內部結構變化的細節，并且不會對被測材料產生損傷或者其他改變。

瞬態光柵光譜學技術其實在早些時候就已被開發出來，但一直未被用來研究輻射損傷的影響，如材料在不開裂的情況下導熱能力和應力的變化情況。對這項技術進行調整和創新，使其能夠在具有輻射的惡劣環境下對材料進行研究經歷了很多年的發展歷程。

為了模擬中子轟擊的效果，研究人員通常會使用離子束（中子轟擊是導致反應堆環境中大部分物質降解的輻射類型），離子束會產生類似的效果且更容易控制，也更安全。因此，研究團隊采用了桑迪亞國家實驗室內的一個6兆伏特離子加速器作為新系統的基礎，它可以在短短幾個小時內模擬長年暴露在中子轟擊環境中的影響。

麻省理工學院的博士研究生Cody a. Dennett解釋道：“通過使用該系統的實時監控能力，可以精確地確定材料的物理變化開始加速的時間，這種加速往往發生得相當突然，而且進展迅速。通過在這一時間點停止實驗，就有可能詳細研究在這個關鍵時刻到底發生了什么。這讓我們能夠找出這些結構性變化背后的原因和機理”。

麻省理工學院核科學與工程教授Michael P. Short說道：“該系統可以在幾個小時內對給定材料的性能進行詳細的研究，而在其他情況下，這可能需要幾個月的時間才能完成第一次的迭代實驗，從而找到材料開始退化的時間點。對于一個完整的特征描述，使用新系統可能只需要一天的時間，而使用傳統方法則可能需要半年甚至更久”。

“該系統利用激光束刺激材料振動，然后用第二束激光觀察材料表面的振動，直接探測材料的彈性剛度和熱性能”，Denneet進一步解釋道：“這種測量可以用來推斷其他相關特征，包括缺陷和損傷累積等。它們可以告訴你關于材料變化的潛在機制的東西，這才是最重要的”。

研究人員還透露，在對該系統進行測試的過程中使用了兩種純金屬——鎳和鎢。但其實該設備可以用來測試各種合金和純金屬，也可以測試許多其他種類的材料。Denneet說道：“令我們非常興奮的原因之一是，當我們在科研會議上描述這種方法時，與我們交談過的每個人都會問，‘能在我的材料上試用一下嗎?’每個人都知道如果這套系統可以測試自己的特殊材料意味著什么，一旦可以測試，他們就可以在研究中更快地取得進展”。

現在，這個新型的設施正在桑迪亞國家實驗室里運行，研究團隊正在進行的工作主要是進一步提高其檢測能力。Denneet表示未來希望能增加更多不同的診斷工具來探測照射過程中材料的更多特性。

佐治亞理工學院(Georgia Tech)負責學術事務的教授兼副院長Laurence J. Jacobs雖然沒有參與這項研究，但對該項目高度贊揚。“這項工作是一種非常好的工程方法，是一項關于非接觸式、無損檢測技術的杰出研究，可以讓研究人員實時、現場監測材料在離子束照射下的力學性能變化，表征出各種材料對輻射損傷的反應特征”。

這種新型系統兩年來經過廣泛的測試，已經準備好供研究人員廣泛使用，可用于輔助開發下一代反應堆的新材料，或幫助研究人員更好地理解在反應堆容器內的惡劣輻射環境下，材料是如何隨著時間的推移而降解的，進而指導技術人員更好的延長現有反應堆的安全使用壽命。該技術成果已發表在《Nuclear Instruments and Methods》期刊上。

作者：David L. Chandler
來源：phys.org
譯者：Vince
參考文獻：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