不用接觸無需拆除就能測量輻射，科學家又出新招

一種測量材料輻射損傷的新系統出現了！

簡單說來就是讓兩束脈衝激光產生（明暗交替的）干涉條紋，這些干涉條紋照射在樣品上後會加熱樣品表面，從而形成一個駐留聲波（standing acoustic wave）。由於這個駐波可以用另一組激光進行檢測，因此，研究人員可以通過研究材料表面駐波來判斷材料被輻射照射後的受損情況。

當材料暴露於強輻射環境（如核反應堆容器的內部）時，會逐漸降解和衰減。在現有的技術條件下，如果要確定這些材料損傷的程度，就需要在專業的設備中對樣品進行測試，這個過程需耗時幾個星期。

麻省理工學院化學系的研究人員開發了一種分析方法，這種新方法在不需要將材料脫離輻射環境的情況下，就能對這些材料進行潛在的連續監測，因此大大加快了測試進程。

此外，由於測試不需要取出材料，因此免去了各種必須的保護措施，在實用的同時也提高了安全性。

這項研究結果發表在近日的《Physical Review B》上，這篇論文由研究生科迪·丹尼特（Cody Dennett）、核科學工程副教授邁克爾·肖特（Michael Short）等六人完成。

肖特指出，目前測量材料輻射損傷的方法都有一定的局限性，成本高且耗時長。舉例來說，目前被認為是此類測量方法中黃金標準的透射電子顯微鏡（TEM），雖然可以得出相對來說較全面的數據，包括由材料性質而造成的缺損情況等，但TEM依舊不能檢測到所有的缺損，因此提供的數據也並不完整。

肖特說：「我們不僅僅對材料的孔洞和空穴（一個或多個原子從物質晶格中丟失的情況）感興趣。我們真正想知道的是材料性能的變化過程。」

研究小組在一種被稱為「瞬態光柵光譜」的技術中找到了答案。.

從本質上說，這是一種通過感應和監測材料表面聲波來測量材料熱性質和彈性性能的方法。儘管系統只能「看到」材料的外表面，但是這些聲波會受到材料結構中內部缺損的影響。這種技術在地質學中有相似的應用：地質學家通過研究地震波在不同方向的傳播方式，構造出了地球內部結構的圖像。

肖特說：「我們先產生這種聲波，再去監測它的移動速度和衰減時間。」這麼一來，對材料的測量就不在需要直接的接觸。

最初該團隊的工作也面臨著一些質疑。肖特表示會有一些人質疑這種技術的靈敏度。但通過仔細的實驗和「幾乎完美」理論模擬，他們證明了這項技術的靈敏度。

肖特說：「這些質疑對我們來說很重要，它們會激勵我們進行進一步的研究。」

研究小組在一次測試中比較了兩批鋁樣品，樣品均是完美的單晶體，只是材料的表面晶格方向不一樣。雖然材料內部原子的排列是不同的，但它們在肉眼和顯微鏡下看起來是一樣。然而用上肖特團隊的技術，將樣品放入設備中去，就能夠進行區分了。

為了推進最初的工作，研究人員正努力證明他們的技術對材料結構中微小缺陷的也同樣敏感。肖特表示，為了體現這項技術的靈敏度，他們會事先在材料上製造一些缺損，然後測量信號，預測相應的結果。」

該研究小組測試了多種材料，但大部分情況下還是使用單晶鋁。肖特的解釋是，之所以這麼做，是因為單晶鋁最具挑戰性。

「當你轉動（鋁）樣品時，由於對著材料表面由激光引發的駐留聲波的晶格方向發生了變化，因此會造成聲波反饋上的不同。」肖特說道，「但是這個變化是非常小的，因此如果我們一旦可以測出這種聲波波速上的細微變化，我們就有十足的信心去測定材料應收輻射而產生的影響。」

實驗結果證明，肖特他們的設備足夠靈敏，能夠測出千分之一的聲速變化，這意味著，如果這項技術用以測量材料的輻射傷害，可以在幾秒鐘內完成現有技術需要花幾個月甚至幾年才能完成的工作。

研究人員們還表示，通過瞬態光柵光譜進行的模擬實驗和測試試驗本身同等重要。通過分子動力學的模擬，研究人員能夠準確地預測銅和鋁理論上應當作出的反饋，並通過測試證實了這一預測。

肖特認為，這些模擬之所以強大，是因為可以通過計算機創建新的結構，並預測它們可能產生的信號。有些材料缺陷的情況過於複雜，以至於從理論上根本無法簡單預測，這個時候就必須讓計算機模擬出馬了。

肖特還表示，以前每個月才會採集到幾個數據點，而現在每五分鐘就能採集一個。對於最新一代的反應堆（多為快堆）來說，材料性能測試速度的快慢是核燃料包殼材料發展的關鍵。就目前來說，發展快堆的瓶頸就在於材料，而材料測試的速度又是材料研究中的瓶頸，因此如果可以把測試時間從幾個月縮短到幾秒鐘，就有望全面突破這些瓶頸。

雖然最初測試時使用的是較大的實驗室設備，但肖特相信它應該可以設計成一種攜帶型設備，將這些功能集中於其中。這樣一來不僅可以進行現場測試，也可以永久地安裝在反應堆內部進行監測。

英國牛津大學工程學系副教授菲力克斯·霍夫曼（Felix Hoffman）雖然沒有參與這項工作，但他認為這是一項將實驗和模擬完美結合的偉大工作。

霍夫曼認為，瞬態光柵提供了一個測量輻射損傷新方法，完全可以取代之前的傳統方法。傳統的透射電鏡、原子探針等都需要長時間地製備樣本，而瞬態光柵快速無損，對樣品的數量和製備方法均無苛刻要求，兩者形成了鮮明對比。如果這種系統能夠便於攜帶，可以實現現場測量，這就為監測材料在輻射環境下的性能變化開闢了巨大的可能性。

田納西大學核工程系主任史蒂芬·辛格爾（Steven Zinkle）雖然沒有參加這項工作，不過他認為，這項成果展示了一種重要且簡便的方法，以在介觀尺度上監測和定量檢測點缺陷。

辛格爾表示，這項全新的瞬態光柵技術再經過完善，就可以讓科學家們進一步理解在輻射環境下材料中缺陷的產生與發展。這種技術可以用於種類繁多的單物質材料或是工程合金；輻射的環境可以是離子束照射，或者是核反應堆工作時伴隨而來的中子轟擊。