Het is misschien verrassend om te horen dat er nog veel onbekend is over de effecten van straling op materialen. Om antwoorden te vinden, Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) ontwikkelen technieken om de microstructurele evolutie en degradatie van aan straling blootgestelde materialen te onderzoeken.

Vandaag, de meeste bestraalde materialen testen omvat het ontwerpen van een materiaal, blootstellen aan straling, en het destructief testen van het materiaal om te bepalen hoe de prestatiekenmerken veranderen. Van bijzonder belang zijn veranderingen in mechanische en thermische transporteigenschappen waarmee onderzoekers proberen de levensduur te bepalen voor veilig gebruik van het materiaal in technische systemen in stralingsomgevingen.

Een nadeel van deze testmethode, liefkozend bekend als "koken en kijken, " is dat het traag is. MIT-onderzoekers rapporteren deze week een meer dynamische optie Technische Natuurkunde Brieven , om de eigenschappen van materialen die tijdens de blootstelling aan straling worden blootgesteld continu te bewaken. Dit biedt realtime informatie over de microstructurele evolutie van een materiaal.

"In het Mesoscale Nuclear Materials Lab van het MIT, we hebben verbeteringen ontwikkeld aan een techniek genaamd 'transient grating spectroscopie' (TGS), die gevoelig is voor zowel thermisch transport als elastische eigenschappen van materialen, " zei Cody Dennett, hoofdauteur van de paper en een promovendus in nucleaire wetenschap en techniek. "Om dit type methode te gebruiken om dynamische materiaalveranderingen te volgen, we moesten eerst aantonen - door het ontwikkelen en testen van nieuwe optische configuraties - dat het mogelijk is om materiaaleigenschappen op een tijdsopgeloste manier te meten."

TGS vertrouwt op het induceren en vervolgens monitoren van periodieke excitaties op materiaaloppervlakken met behulp van een laser.

"Door het oppervlak van een monster te pulseren met een periodiek laserintensiteitspatroon, we kunnen een materiële excitatie induceren met een vaste golflengte, "Zei Dennett. "Deze excitaties manifesteren zich op verschillende manieren in verschillende systemen, maar het soort reacties dat we hebben waargenomen voor pure metalen materialen zijn voornamelijk akoestische oppervlaktegolven." De benadering wordt over het algemeen een transiënte roostertechniek genoemd.

Om dit te visualiseren, Dennett bood de beelden van het tikken op een drumvel, maar in dit geval op een vast oppervlak waar de laser het "flikkeren" doet. De respons van de "drum" hangt af van de toestand van de structuur en kan daarom veranderingen in de structuur onthullen.

"De oscillatie en het verval van deze excitaties zijn direct gerelateerd aan de thermische en elastische eigenschappen van het materiaal, " zei Dennett. "We kunnen deze excitaties volgen door de materiële excitaties zelf te gebruiken als diffractierooster voor een sondeerlaser. specifiek, we volgen de eerste-orde diffractie van de sondeerlaser omdat de intensiteit en oscillatie direct de amplitude en oscillatie van de materiaalexcitatie weerspiegelen."

Het signaal dat de onderzoekers proberen te detecteren is erg klein, dus het moet worden versterkt door ruimtelijk een referentielaserstraal te overlappen die het signaal van interesse niet bevat. wat een proces is dat heterodyne amplificatie wordt genoemd.

"De meeste volledige metingen worden gedaan door meerdere metingen te verzamelen bij verschillende heterodyne fasen (een maat voor het padlengteverschil) tussen het signaal en de referentie-oscillator om systematische ruis te verwijderen, " zei hij. "Dus we hebben een extra sondeerlaserpad toegevoegd - in dezelfde compacte optische configuratie - waarmee we metingen kunnen verzamelen op meerdere heterodyne fasen tegelijk."

Hierdoor kunnen de onderzoekers volledige metingen doen op een manier die alleen wordt beperkt door de systeemherhaling, detectiesnelheid en gewenste signaal-ruisverhouding van de totale eindmeting volgens Dennett.

"Eerder, volledige metingen van dit type vereisten bediening tussen metingen bij verschillende heterodyne fasen, " zei hij. "Met deze methode in de hand, we kunnen aantonen dat tijdsopgeloste metingen van elastische eigenschappen op dynamische materialen mogelijk zijn op korte tijdschalen."

De experimentele methode van de groep heet Dual Heterodyne Phase Collection Transient Grating Spectroscopy (DH-TGS). Het is een belangrijke vooruitgang omdat het kan worden gebruikt voor het dynamisch volgen van de evolutie van materiële systemen.

"Onze techniek is gevoelig voor elastische en thermische transporteigenschappen, die een aanwijzing kunnen zijn voor microstructurele veranderingen binnen de materiële systemen die worden bewaakt, ' zei Dennett.

Het is ook zowel niet-destructief als contactloos, wat betekent dat zolang optische toegang tot een monster met voldoende oppervlaktekwaliteit is vastgesteld, het kan worden gebruikt om realtime eigendomsveranderingen te volgen als gevolg van "externe forcering" zoals temperatuur, spanning of straling.

Omdat DH-TGS een niet-destructieve materiaaldiagnose is, Dennett zei dat er veel systemen zijn die je je kunt voorstellen om te bestuderen terwijl microstructurele evolutie plaatsvindt. "We zijn in het bijzonder geïnteresseerd in het geval van stralingsschade, maar andere toepassingen kunnen het bestuderen van faseveranderingsmaterialen bij lage temperatuur omvatten, of realtime monitoring van oxidelaagvorming op staallegeringen, " hij zei.

"[W]e proberen realtime, niet-destructieve monitoring van dynamische materiaalsystemen, " zei Dennett. "Maar een ander doel van ons is om de mogelijkheden van dit soort methodologie op grotere schaal te verspreiden. We hebben bepaalde toepassingen in gedachten voor onze volgende stappen, maar het relatieve gemak van implementatie zou het interessant moeten maken voor een breed scala aan materiaalwetenschappers."

Hun volgende experimentele iteratie omvat het bouwen van een doelkamer voor een ionenbundelversneller, zodat ze materialen in realtime kunnen zien evolueren tijdens blootstelling.

"Het werk dat we presenteerden in Technische Natuurkunde Brieven was het laatste stukje van de puzzel dat tussen ons in stond en de overkoepelende motivatie voor het project realiseerde, ' zei Dennett.