基于激光的新型系统可以持续监测对材料的辐射损伤

高辐射环境，如核电站堆芯中的环境，需要极其优质的材料。这些材料在核电设施中的微观结构和性能在运行多年后发生了巨大变化。

大多数材料由于析出增强、体积膨胀、弹道夹杂物溶解、辐照辅助应力腐蚀开裂和偏析增强而失效。

现有的测试材料承受这种恶劣环境的能力的方法不是很有效。他们依赖于“先煮后看”的方法，在这种方法中，材料会受到高辐射环境的影响，然后被移除以进行仔细检查。然而，这个过程非常耗时，以至于推迟了用于新反应堆的先进材料的开发。

为了解决这个问题，麻省理工学院和桑迪亚国家实验室的一个研究团队构建了一个新系统，可以有效地实时追踪辐射引起的变化，并提供比传统技术更多的见解。

由于许多核设施的运行寿命即将结束，该技术可以帮助确定哪些核电厂可以安全地延长多少。

新的基于激光的系统依赖于瞬态光栅光谱 (TGS)——一种用于测量准粒子传播的光学技术。它可以检测材料的物理变化，包括热扩散率和弹性，而不会损坏或改变其性能。

该团队已经对这种方法进行了大约两年的测试。现在，该系统已准备好提供准确的数据，帮助工程师了解反应堆容器内的材料如何随时间降解。

参考：ScienceDirect | doi:10.1016/j.nimb.2018.10.025 |麻省理工学院

这是第一次有人使用TGS来密切观察辐射造成的损害。它可以检测材料的特性在运行年份是否发生了变化，例如其对应力的响应能力或导热能力。

为了复制辐射环境，研究人员使用离子束模拟了中子轰击的影响，离子束以与实际反应堆类似的方式破坏材料，但使用起来更安全，更容易控制。他们使用了 6 兆伏的离子加速器，以小时为单位模拟了多年的中子暴露。

在桑迪亚国家实验室安装和测试的新系统 |图片来源：Cody Dennett

测量是通过使用激光束模拟材料振动，然后使用另一台激光观察表面的振动来进行的。该测量还可用于确定其他相关属性，例如给定材料中的损伤累积和缺陷。

由于系统实时监控材料，因此可以在任何关键时刻停止实验并详细研究损坏情况。这也让工程师能够查明这些故障背后的机械原因。

传统方法需要数月时间才能找到引发退化的初始因素。另一方面，新系统可以在几个小时内完成相同的工作。根据该报告，对给定材料的完整表征仅需一天，而现有技术则需要近半年时间。

到目前为止，研究人员已经在两种纯金属上测试了他们的系统：钨和镍。在接下来的几个月里，他们将用它来测试其他金属和各种合金。

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该团队还在努力进一步提高系统的功能，并添加更多诊断工具，以研究暴露于辐射的材料的更多特性。

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