盡管幾十年來(lái)科學(xué)家一直致力于對(duì)材料在各領(lǐng)域所起作用進(jìn)行研究，如發(fā)電、國(guó)防和醫(yī)療應(yīng)用等領(lǐng)域，但輻射效應(yīng)是如何影響材料特性這一問(wèn)題依舊是個(gè)未知之謎。美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員正在開(kāi)發(fā)一種新技術(shù)，可監(jiān)測(cè)暴露于輻射環(huán)境中的材料微結(jié)構(gòu)演變和降解過(guò)程。

在實(shí)時(shí)檢測(cè)暴露于輻射環(huán)境中材料的機(jī)械和熱傳輸性能變化——該特性決定了材料可安全應(yīng)用于工程系統(tǒng)中的壽命——實(shí)驗(yàn)過(guò)程中面臨著一大挑戰(zhàn)，就是這種變化的發(fā)生過(guò)程相對(duì)緩慢。美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員提供了一個(gè)可檢測(cè)輻射環(huán)境中材料特性變化的持續(xù)監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)方案，可獲得材料微結(jié)構(gòu)演變的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息。

主要研究成員Cody Dennett表示：“在麻省理工學(xué)院的中等規(guī)模核材料實(shí)驗(yàn)室，我們一直在開(kāi)發(fā)一種名為瞬態(tài)光柵光譜（TGS）的改進(jìn)型技術(shù)，該技術(shù)對(duì)材料的熱傳輸和彈性性能變化均十分敏感?！?/span>

圖為系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖

新型光學(xué)結(jié)構(gòu)

Dennett補(bǔ)充道：“要實(shí)現(xiàn)利用該方法監(jiān)測(cè)材料的動(dòng)態(tài)變化，我們首先要開(kāi)發(fā)和測(cè)試一種新型光學(xué)系統(tǒng)，其對(duì)于材料特性的監(jiān)測(cè)可以達(dá)到時(shí)間分辨率的水平。”瞬態(tài)光柵光譜技術(shù)基于激光誘導(dǎo)與材料表面周期性激勵(lì)的監(jiān)測(cè)。

瞬態(tài)光柵技術(shù)

通過(guò)在樣本材料表面施加一個(gè)固定波長(zhǎng)的脈沖激光，我們可以誘導(dǎo)材料激勵(lì)，這些激勵(lì)在不同系統(tǒng)中的表現(xiàn)形式不同，但我們?cè)诮饘俨牧媳砻嬗^測(cè)到的主要是表面聲波的形式，這種方法即為瞬態(tài)光柵技術(shù)。

Dennett表示：“這些激勵(lì)的震蕩和衰減特性與材料的熱傳導(dǎo)性能和彈性性能直接相關(guān)。我們可以將物質(zhì)的自身激勵(lì)作為探測(cè)激光的衍射光柵來(lái)監(jiān)測(cè)材料的激勵(lì)特性。具體來(lái)說(shuō)，我們可以檢測(cè)探測(cè)激光的一級(jí)衍射，因?yàn)槠鋸?qiáng)度和振幅直接反映了材料的激勵(lì)振幅和強(qiáng)度?！?/span>

由于研究人員檢測(cè)到的信號(hào)非常弱，因此需要參考光束對(duì)其進(jìn)行空間放大，這一過(guò)程被稱(chēng)為外差放大。

附加激光路徑

Dennett表示：“最完整的測(cè)量過(guò)程是收集多組（不同光程差）信號(hào)與參考震蕩之間形成的外差相位數(shù)據(jù)以消除系統(tǒng)噪聲。因此，我們?cè)谙到y(tǒng)中增加了一個(gè)緊湊的附加探測(cè)激光路徑，并通過(guò)此方式實(shí)現(xiàn)多組外差相位的同時(shí)測(cè)量?！?/span>

這使得研究人員進(jìn)行完整的測(cè)量只取決于系統(tǒng)的重復(fù)性、檢測(cè)頻率和期望的信噪比。

研究團(tuán)隊(duì)的該方法被被稱(chēng)為雙重外差相位采集瞬態(tài)光柵光譜（DH-TGS）法。麻省理工的研究人員堅(jiān)信這是一個(gè)巨大的進(jìn)步，因?yàn)樵摲椒捎糜诓牧舷到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

Dennett表示：“我們的技術(shù)對(duì)材料的彈性性能和熱傳輸性能比較敏感，因此可以但應(yīng)出待監(jiān)測(cè)的材料系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)變化。”

應(yīng)用

由于DH-TGS法是一種無(wú)損的材料診斷方法，Dennett堅(jiān)信很多系統(tǒng)都將利用該方法實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。Dennett表示：“我們對(duì)于材料的輻射損傷尤其感興趣，當(dāng)該方法也將應(yīng)用于其他應(yīng)用中，如研究低溫對(duì)于材料相位變化的影響等?！?/span>

下一步研究計(jì)劃

該研究小組的下一步研究計(jì)劃是構(gòu)建一個(gè)粒子加速器的模型，用以觀測(cè)材料暴露在粒子加速器中的材料特性變化。