一种测量材料辐射损伤的新系统出现了

2016-12-19 08:55:49  来源:每日科技网  编辑:

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  简单说来就是让两束脉冲激光产生(明暗交替的)干涉条纹,这些干涉条纹照射在样品上后会加热样品表面,从而形成一个驻留声波(standing acoustic wave)。由于这个驻波可以用另一组激光进行检测,因此,研究人员可以通过研究材料表面驻波来判断材料被辐射照射后的受损情况。
  当材料暴露于强辐射环境(如核反应堆容器的内部)时,会逐渐降解和衰减。在现有的技术条件下,如果要确定这些材料损伤的程度,就需要在专业的设备中对样品进行测试,这个过程需耗时几个星期。
  麻省理工学院化学系的研究人员开发了一种分析方法,这种新方法在不需要将材料脱离辐射环境的情况下,就能对这些材料进行潜在的连续监测,因此大大加快了测试进程。
  此外,由于测试不需要取出材料,因此免去了各种必须的保护措施,在实用的同时也提高了安全性。
  这项研究结果发表在近日的《Physical Review B》上,这篇论文由研究生科迪·丹尼特(Cody Dennett)、核科学工程副教授迈克尔·肖特(Michael Short)等六人完成。
  肖特指出,目前测量材料辐射损伤的方法都有一定的局限性,成本高且耗时长。举例来说,目前被认为是此类测量方法中黄金标准的透射电子显微镜(TEM),虽然可以得出相对来说较全面的数据,包括由材料性质而造成的缺损情况等,但TEM依旧不能检测到所有的缺损,因此提供的数据也并不完整。
  肖特说:“我们不仅仅对材料的孔洞和空穴(一个或多个原子从物质晶格中丢失的情况)感兴趣。我们真正想知道的是材料性能的变化过程。”
  研究小组在一种被称为“瞬态光栅光谱”的技术中找到了答案。.
  从本质上说,这是一种通过感应和监测材料表面声波来测量材料热性质和弹性性能的方法。尽管系统只能“看到”材料的外表面,但是这些声波会受到材料结构中内部缺损的影响。这种技术在地质学中有相似的应用:地质学家通过研究地震波在不同方向的传播方式,构造出了地球内部结构的图像。
  肖特说:“我们先产生这种声波,再去监测它的移动速度和衰减时间。”这么一来,对材料的测量就不在需要直接的接触。
  最初该团队的工作也面临着一些质疑。肖特表示会有一些人质疑这种技术的灵敏度。但通过仔细的实验和“几乎完美”理论模拟,他们证明了这项技术的灵敏度。
  肖特说:“这些质疑对我们来说很重要,它们会激励我们进行进一步的研究。”
  研究小组在一次测试中比较了两批铝样品,样品均是完美的单晶体,只是材料的表面晶格方向不一样。虽然材料内部原子的排列是不同的,但它们在肉眼和显微镜下看起来是一样。然而用上肖特团队的技术,将样品放入设备中去,就能够进行区分了。
  为了推进最初的工作,研究人员正努力证明他们的技术对材料结构中微小缺陷的也同样敏感。肖特表示,为了体现这项技术的灵敏度,他们会事先在材料上制造一些缺损,然后测量信号,预测相应的结果。”
  该研究小组测试了多种材料,但大部分情况下还是使用单晶铝。肖特的解释是,之所以这么做,是因为单晶铝挑战性。
  “当你转动(铝)样品时,由于对着材料表面由激光引发的驻留声波的晶格方向发生了变化,因此会造成声波反馈上的不同。”肖特说道,“但是这个变化是非常小的,因此如果我们一旦可以测出这种声波波速上的细微变化,我们就有十足的信心去测定材料应收辐射而产生的影响。”
  实验结果证明,肖特他们的设备足够灵敏,能够测出千分之一的声速变化,这意味着,如果这项技术用以测量材料的辐射伤害,可以在几秒钟内完成现有技术需要花几个月甚至几年才能完成的工作。
  研究人员们还表示,通过瞬态光栅光谱进行的模拟实验和测试试验本身同等重要。通过分子动力学的模拟,研究人员能够准确地预测铜和铝理论上应当作出的反馈,并通过测试证实了这一预测。
  肖特认为,这些模拟之所以强大,是因为可以通过计算机创建新的结构,并预测它们可能产生的信号。有些材料缺陷的情况过于复杂,以至于从理论上根本无法简单预测,这个时候就必须让计算机模拟出马了。
  肖特还表示,以前每个月才会采集到几个数据点,而现在每五分钟就能采集一个。对于一代的反应堆(多为快堆)来说,材料性能测试速度的快慢是核燃料包壳材料发展的关键。就目前来说,发展快堆的瓶颈就在于材料,而材料测试的速度又是材料研究中的瓶颈,因此如果可以把测试时间从几个月缩短到几秒钟,就有望全面突破这些瓶颈。
  虽然最初测试时使用的是较大的实验室设备,但肖特相信它应该可以设计成一种便携式设备,将这些功能集中于其中。这样一来不仅可以进行现场测试,也可以地安装在反应堆内部进行监测。
  英国牛津大学工程学系副教授菲力克斯·霍夫曼(Felix Hoffman)虽然没有参与这项工作,但他认为这是一项将实验和模拟完美结合的伟大工作。
  霍夫曼认为,瞬态光栅提供了一个测量辐射损伤新方法,完全可以取代之前的传统方法。传统的透射电镜、原子探针等都需要长时间地制备样本,而瞬态光栅快速无损,对样品的数量和制备方法均无苛刻要求,两者形成了鲜明对比。如果这种系统能够便于携带,可以实现现场测量,这就为监测材料在辐射环境下的性能变化开辟了巨大的可能性。
  田纳西大学核工程系主任史蒂芬·辛格尔(Steven Zinkle)虽然没有参加这项工作,不过他认为,这项成果展示了一种重要且简便的方法,以在介观尺度上监测和定量检测点缺陷。
  辛格尔表示,这项全新的瞬态光栅技术再经过完善,就可以让科学家们进一步理解在辐射环境下材料中缺陷的产生与发展。

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