Material som utsätts för en högstrålningsmiljö, såsom insidan av ett kärnreaktorkärl, kan gradvis försämras och försvagas. Men för att avgöra exakt hur stor skada dessa material lider krävs vanligtvis att ta ett prov och testa det på specialanläggningar, en process som kan ta veckor.

En analysmetod utvecklad av forskare vid Institutionen för kemi vid MIT och tillämpad av medlemmar vid MIT:s Mesoscale Nuclear Materials Laboratory kan förändra det, möjligen möjliggör kontinuerlig övervakning av dessa material utan att behöva ta bort dem från deras strålningsmiljö. Detta kan påskynda testprocessen och minska förebyggande utbyte av material som faktiskt är säkra och användbara.

Resultaten rapporteras i veckan i tidningen Fysisk granskning B , i en uppsats av doktoranden Cody Dennett, biträdande professor i kärnvetenskap och teknik Michael Short, och sex andra.

När det gäller att mäta strålskador i material, Short säger, "De flesta av de nuvarande sätten är långsamma och dyra." Till exempel, metoden som anses vara guldstandarden för sådana tester, transmissionselektronmikroskopi (TEM), producerar omfattande data om många av de defekter i materialet som är ansvariga för förändringar i dess egenskaper. Men inte alla defekter som påverkar materialets egenskaper kan ses i TEM, så testet ger inte fullständig data.

"Vi är inte bara intresserade av hur många tomrum eller lediga platser du har, "Short säger, med hänvisning till platser där en eller flera atomer saknas i materialets kristallgitter. "Det vi verkligen vill veta är hur materialegenskaperna förändras."

Teamet hittade svaret i en teknik som kallas transient gitterspektroskopi. Väsentligen, Detta är ett sätt att mäta materialens termiska och elastiska egenskaper genom att inducera och övervaka akustiska vågor på materialets yta. Även om systemet bara "ser" materialets yttre yta, dessa akustiska vibrationer påverkas av underjordiska defekter i materialets struktur. Effekten liknar hur geologer kan konstruera en bild av jordens inre lager genom att studera hur seismiska vågor sprider sig i olika riktningar.

Systemet skapar dessa akustiska svängningar genom att använda två pulserade laserstrålar riktade mot provet på ett sådant sätt att ljusvågorna hos de två strålarna orsakar ett störningsmönster. Detta störningsmönster orsakar uppvärmning vid provytan, genererar en stående akustisk våg. Ytans rörelse orsakad av denna våg kan övervakas av en annan uppsättning lasrar. "Vi skapar porlande akustiska vågor, "Short säger, "och mäta hur snabbt de rör sig och hur snabbt de förfaller, "utan att fysiskt kontakta materialet på något sätt.

Teamets arbete mötte inledningsvis viss skepsis. "Folk sa" hur vet du att [den här tekniken] är tillräckligt känslig? "Säger Short. Men med noggranna experiment som "nästan perfekt" matchade teoretiska simuleringar, de bevisade den nödvändiga känsligheten, han säger. "De kritiska frågorna var viktiga för oss att höra, och motiverade oss att genomföra denna studie. "

För ett test, laget jämförde två partier aluminiumprover som var sammansatta av perfekta enstaka kristaller med olika ytorienteringar. Även om det interna atomarrangemanget var annorlunda, "de såg identiska ut med ögat eller i mikroskopet, "säger han." Vi lägger dem alla i vår enhet, och vi kunde reda ut dem alla. "

För att följa upp deras första arbete, forskarna arbetar nu med att bevisa deras tekniks känslighet för små defekter i ett materials struktur. "Vi skapar enkla defekter och mäter sedan signalerna, att förutsäga effekterna, "Säger Short." Vi vill visa hur känsliga vi kan bli. "

Teamet använde olika material i sina tester men fokuserade mestadels på enkristall aluminium. De valde det materialet eftersom det var ett av de mest utmanande, Kort förklarar. "När du roterar provet, dess akustiska svar ändras "på grund av den olika anpassningen av kristallstrukturen till de laserinducerade ytakustiska vågorna." Men det förändras väldigt lite. Så om vi kan känna de subtila förändringarna i våghastigheten i aluminium, då är vi väl förberedda för att mäta strålningseffekter "i andra material. Resultaten av dessa tester visade att deras enhet är tillräckligt känslig för att detektera förändringar i akustisk våghastighet så liten som en tiondel av 1 procent. Och den kan ge sin svarar "på några sekunder, mot månader eller år "för befintliga metoder.

Metoden som forskarna utvecklade för att direkt simulera övergående gitterspektroskopi är lika viktig som själva mätningarna, de säger. Med hjälp av noggranna molekylära dynamiksimuleringar, forskarna kunde exakt förutse det förväntade svaret av koppar och aluminium, och bekräfta denna förutsägelse med mätningar. "Den mest kraftfulla implikationen för dessa simuleringar, "Short säger, "är att vi kan skapa nya strukturer i datorn och förutsäga deras signaler. Vissa defekter är för komplexa för att vi bara ska kunna förutsäga deras signaler. Det är där simulering kommer in." Möjligheten att använda simulering för att förklara experimentella mätningar i atomskala är också "extremt upplysande, " han säger.

"Nu, vi kan ta en datapunkt ungefär var femte minut, där du vanligtvis skulle få några datapunkter per månad, "säger han. Att snabbare testning kan vara avgörande för att möjliggöra utveckling av nya generationer av beklädnadsmaterial för kärnbränsle för avancerade nya reaktorer, han säger. "Nu, den största nackdelen med att installera nya reaktorer är material, och den största nackdelen med det är testning. Om vi ​​kan gå från månader till sekunder, vi kan komma runt den flaskhalsen. "

Även om deras första tester gjordes med större laboratorieuppsättningar, Short säger att det borde vara ganska enkelt att återge dessa funktioner i en liten, bärbar enhet som kan bäras runt för fälttester eller permanent monteras i strategiska övervakningspunkter i ett reaktorkärl.

"Detta är ett bra arbete med en trevlig kombination av experimentellt och modelleringsarbete, säger Felix Hoffman, docent i ingenjörsvetenskap vid Oxford University i Storbritannien, som inte var inblandad i detta arbete.

"Transient Grating (TG) -metoder ger ett bra nytt alternativ till traditionella tekniker för att mäta strålskador eftersom de är snabba, oförstörande, och kräver inte mycket annat för provberedning än en polerad yta, "säger han." Detta står i skarp kontrast till TEM, atomsond, eller mikromekanik som kräver lång provberedning. ... Om systemet kan miniatyriseras och göras tillräckligt bärbart för att möjliggöra in situ -mätningar, detta skulle öppna enorma möjligheter att undersöka materiell egendomsutveckling på grund av bestrålning. "

"Författarna har visat ett betydande och mångsidigt framsteg när det gäller övervakning och kvantifiering av punktdefekter i mesoskala volymer, "säger Steven Zinkle, ordförande för avdelningen för kärnteknik vid University of Tennessee, som inte heller var inblandad i detta arbete. "Med ytterligare förfining, " han säger, "den nyutvecklade TG-spektroskopitekniken kan leda till förbättrad förståelse för realtidsdefektutvecklingar som förekommer i ett brett spektrum av rena material och tekniska legeringar under exponering för jonstrålebearbetning eller neutronbombardering under energiproduktion i kärnreaktorer."

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.