美國麻省理工學院的“more dynamic”光電子技術能夠分析材料結構受到的輻射損傷。
圖示為美國麻省理工學院（MIT）的研究人員搭建的激光光路和部分重要的光學元件。
盡管科學家們對放射性物質已經進行了數十年的研究和開發，諸如發電、軍事和醫療等應用，但是人們仍然不清楚放射性輻射對材料的具體影響。麻省理工學院（MIT）的研究人員正在研究受輻射材料的微觀結構演化與降解過程。
為了確定工程材料在輻射環境中的安全使用壽命，必須測量這些材料在實際變化過程中的機械性能與熱傳導性能，但是這一變化相對緩慢難以監測。麻省理工學院的研究人員在《應用物理學通訊》（Applied Physics Letters）上發表的一篇文章稱，他們找到了一種更便捷的方法，能夠持續監測暴露于輻射中的材料的各種性質。該方法能夠監測材料微觀結構演化的實時信息。
該論文的第一作者、核科學與工程博士研究生Cody Dennett說：“在麻省理工學院的中尺度核材料實驗室，我們一直在研究瞬態光柵光譜（TGS）技術，該技術對材料的彈性和熱傳導性能均十分敏感。”
新的光學結構
Dennett補充說：“要使用該方法來監測材料的動態變化，我們首先需要開發并測試新的光學結構，以時間分辨的方式測量材料的特性。”瞬態光柵光譜技術依賴于激光在材料表面的周期性激發誘導和對材料性質的持續監測。
“通過用激光脈沖周期性地照射樣品的表面，我們可以用固定波長的激光誘導材料激發。這些激發在不同的材料中表現為不同的類型，但是我們觀察到的純金屬材料的激發類型主要是持續的表面聲波。該方法通常被稱為瞬態光柵技術。”Dennett說。
為了有助于理解這一過程，Dennett將其比喻為輕拍鼓膜。在這種情況下，激光照射在鼓膜表面相當于拍打鼓膜，而鼓膜的回響取決于其內部結構，因此這一方法可以顯示材料結構的變化。
“這些激發的振蕩和衰減與材料的熱傳導性能和彈性性能直接相關，”Dennett說，“我們可以通過使用材料激發作為探測激光的衍射光柵來監測它們自身。具體來說，我們只需要對探測激光的一階衍射進行監測，因為其強度和振蕩直接反映了材料激發的強度和振蕩。”
這些激發信號極其微弱，所以研究人員必須通過空間重疊參考激光束進行光放大，其中參考激光束不包含有用的信號，這個過程被稱為“外差放大”。
附加激光光路
Dennett說：“我們通過測量信號和參考激光束之間的外差相位（對光程差的測量）來消除所有的系統噪聲，以完成大多數的測量。因此我們在原先的光學結構中添加了一個附加的探測激光光路，使得我們能夠同時在多個外差相位上采集測量結果。”
這一方法使得研究人員僅使用Dennett的方法就能夠完成包括檢出率和信噪比在內的所有測量。
該方法被稱為雙重外差相位收集瞬態光柵光譜技術（DH-TGS）。MIT的研究人員們認為這是材料結構動態監測領域一個重大的技術飛躍。
“我們的技術對材料的彈性和熱傳導性能十分靈敏，這有助于監測材料結構中的微觀結構演化。”Dennett說。
由于DH-TGS是一種無損的材料監測方法，Dennett表示，隨著微觀結構演化的發展，人們可能會考慮研究其他許多材料結構。“我們對材料的輻射損傷情況尤其感興趣，但該方法的其他應用可能包括研究低溫相變材料，或實時監測鋼合金的氧化層形成過程等。”
他們的下一個實驗需要搭建一個離子束加速器的靶室，以便在曝光期間實時觀察材料的演化過程。“我們在《應用物理學通訊》中所述的工作是我們研究的最后一部分，以實現這一項目的最終目標。”Dennett總結道。