材料辐射损伤现在可以实时监测了！

为了评估一种材料在核反应堆内承受高辐射环境的能力，研究人员传统上都是采用“先实验、再观察”的方法，即将该材料暴露在高辐射环境中，然后取出进行检测。但是这个过程通常都比较耗时，极大地阻碍了一些未来新型反应堆以及新材料的开发进程。

但是现在，来自美国麻省理工学院(MIT)和桑迪亚国家实验室(Sandia National laboratory)的研究人员成功开发出了一种新型系统并进行了相关测试，该系统可以连续监测辐射在材料中引发的变化，比传统方法提供的数据更加有效，而且速度更快。

美国桑迪亚国家实验室安装并测试了这种新型辐射损伤检测系统。辐射损伤过程可以在位于图像右侧的黑色激光罩后面的靶室中观察到。

根据现有的一些规定，许多核电站的运行寿命已接近尾声，了解核电站内部材料的状态对于了解核电站运行状况、能否延长安全使用时间以及延长多久是至关重要的。

据研究人员说，这套新型系统是基于激光原理，利用了瞬态光栅光谱学技术，通过激光束探测材料表面的微小变化以及物理性质的变化，例如材料的弹性和热扩散率等，从而揭示材料内部结构变化的细节，并且不会对被测材料产生损伤或者其他改变。

瞬态光栅光谱学技术其实在早些时候就已被开发出来，但一直未被用来研究辐射损伤的影响，如材料在不开裂的情况下导热能力和应力的变化情况。对这项技术进行调整和创新，使其能够在具有辐射的恶劣环境下对材料进行研究经历了很多年的发展历程。

为了模拟中子轰击的效果，研究人员通常会使用离子束（中子轰击是导致反应堆环境中大部分物质降解的辐射类型），离子束会产生类似的效果且更容易控制，也更安全。因此，研究团队采用了桑迪亚国家实验室内的一个6兆伏特离子加速器作为新系统的基础，它可以在短短几个小时内模拟长年暴露在中子轰击环境中的影响。

麻省理工学院的博士研究生Cody a. Dennett解释道：“通过使用该系统的实时监控能力，可以精确地确定材料的物理变化开始加速的时间，这种加速往往发生得相当突然，而且进展迅速。通过在这一时间点停止实验，就有可能详细研究在这个关键时刻到底发生了什么。这让我们能够找出这些结构性变化背后的原因和机理”。

麻省理工学院核科学与工程教授Michael P. Short说道：“该系统可以在几个小时内对给定材料的性能进行详细的研究，而在其他情况下，这可能需要几个月的时间才能完成第一次的迭代实验，从而找到材料开始退化的时间点。对于一个完整的特征描述，使用新系统可能只需要一天的时间，而使用传统方法则可能需要半年甚至更久”。

“该系统利用激光束刺激材料振动，然后用第二束激光观察材料表面的振动，直接探测材料的弹性刚度和热性能”，Denneet进一步解释道：“这种测量可以用来推断其他相关特征，包括缺陷和损伤累积等。它们可以告诉你关于材料变化的潜在机制的东西，这才是最重要的”。

研究人员还透露，在对该系统进行测试的过程中使用了两种纯金属——镍和钨。但其实该设备可以用来测试各种合金和纯金属，也可以测试许多其他种类的材料。Denneet说道：“令我们非常兴奋的原因之一是，当我们在科研会议上描述这种方法时，与我们交谈过的每个人都会问，‘能在我的材料上试用一下吗?’每个人都知道如果这套系统可以测试自己的特殊材料意味着什么，一旦可以测试，他们就可以在研究中更快地取得进展”。

现在，这个新型的设施正在桑迪亚国家实验室里运行，研究团队正在进行的工作主要是进一步提高其检测能力。Denneet表示未来希望能增加更多不同的诊断工具来探测照射过程中材料的更多特性。

佐治亚理工学院(Georgia Tech)负责学术事务的教授兼副院长Laurence J. Jacobs虽然没有参与这项研究，但对该项目高度赞扬。“这项工作是一种非常好的工程方法，是一项关于非接触式、无损检测技术的杰出研究，可以让研究人员实时、现场监测材料在离子束照射下的力学性能变化，表征出各种材料对辐射损伤的反应特征”。

这种新型系统两年来经过广泛的测试，已经准备好供研究人员广泛使用，可用于辅助开发下一代反应堆的新材料，或帮助研究人员更好地理解在反应堆容器内的恶劣辐射环境下，材料是如何随着时间的推移而降解的，进而指导技术人员更好的延长现有反应堆的安全使用寿命。该技术成果已发表在《Nuclear Instruments and Methods》期刊上。

作者：David L. Chandler
来源：phys.org
译者：Vince
参考文献：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