美国麻省理工学院的“more dynamic”光电子技术能够分析材料结构受到的辐射损伤。

图示为美国麻省理工学院（MIT）的研究人员搭建的激光光路和部分重要的光学元件。

尽管科学家们对放射性物质已经进行了数十年的研究和开发，诸如发电、军事和医疗等应用，但是人们仍然不清楚放射性辐射对材料的具体影响。麻省理工学院（MIT）的研究人员正在研究受辐射材料的微观结构演化与降解过程。

为了确定工程材料在辐射环境中的安全使用寿命，必须测量这些材料在实际变化过程中的机械性能与热传导性能，但是这一变化相对缓慢难以监测。麻省理工学院的研究人员在《应用物理学通讯》（Applied Physics Letters）上发表的一篇文章称，他们找到了一种更便捷的方法，能够持续监测暴露于辐射中的材料的各种性质。该方法能够监测材料微观结构演化的实时信息。

该论文的第一作者、核科学与工程博士研究生Cody Dennett说：“在麻省理工学院的中尺度核材料实验室，我们一直在研究瞬态光栅光谱（TGS）技术，该技术对材料的弹性和热传导性能均十分敏感。”

新的光学结构

Dennett补充说：“要使用该方法来监测材料的动态变化，我们首先需要开发并测试新的光学结构，以时间分辨的方式测量材料的特性。”瞬态光栅光谱技术依赖于激光在材料表面的周期性激发诱导和对材料性质的持续监测。

“通过用激光脉冲周期性地照射样品的表面，我们可以用固定波长的激光诱导材料激发。这些激发在不同的材料中表现为不同的类型，但是我们观察到的纯金属材料的激发类型主要是持续的表面声波。该方法通常被称为瞬态光栅技术。”Dennett说。

为了有助于理解这一过程，Dennett将其比喻为轻拍鼓膜。在这种情况下，激光照射在鼓膜表面相当于拍打鼓膜，而鼓膜的回响取决于其内部结构，因此这一方法可以显示材料结构的变化。

“这些激发的振荡和衰减与材料的热传导性能和弹性性能直接相关，”Dennett说，“我们可以通过使用材料激发作为探测激光的衍射光栅来监测它们自身。具体来说，我们只需要对探测激光的一阶衍射进行监测，因为其强度和振荡直接反映了材料激发的强度和振荡。”

这些激发信号极其微弱，所以研究人员必须通过空间重叠参考激光束进行光放大，其中参考激光束不包含有用的信号，这个过程被称为“外差放大”。

附加激光光路

Dennett说：“我们通过测量信号和参考激光束之间的外差相位（对光程差的测量）来消除所有的系统噪声，以完成大多数的测量。因此我们在原先的光学结构中添加了一个附加的探测激光光路，使得我们能够同时在多个外差相位上采集测量结果。”

这一方法使得研究人员仅使用Dennett的方法就能够完成包括检出率和信噪比在内的所有测量。

该方法被称为双重外差相位收集瞬态光栅光谱技术（DH-TGS）。MIT的研究人员们认为这是材料结构动态监测领域一个重大的技术飞跃。

“我们的技术对材料的弹性和热传导性能十分灵敏，这有助于监测材料结构中的微观结构演化。”Dennett说。

由于DH-TGS是一种无损的材料监测方法，Dennett表示，随着微观结构演化的发展，人们可能会考虑研究其他许多材料结构。“我们对材料的辐射损伤情况尤其感兴趣，但该方法的其他应用可能包括研究低温相变材料，或实时监测钢合金的氧化层形成过程等。”

他们的下一个实验需要搭建一个离子束加速器的靶室，以便在曝光期间实时观察材料的演化过程。“我们在《应用物理学通讯》中所述的工作是我们研究的最后一部分，以实现这一项目的最终目标。”Dennett总结道。