Puede ser sorprendente saber que aún se desconoce mucho sobre los efectos de la radiación en los materiales. Para encontrar respuestas, los investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts MIT están desarrollando técnicas para explorar la evolución microestructural y la degradación de los materiales expuestos a la radiación.
Hoy, la mayoría de las pruebas de materiales irradiados implican diseñar un material, exponerlo a la radiación y probar de forma destructiva el material para determinar cómo cambian sus características de rendimiento. De particular interés son los cambios en las propiedades de transporte mecánico y térmico con las que los investigadores intentan determinar la vida útilpara un uso seguro del material en sistemas de ingeniería dentro de entornos de radiación.
Un inconveniente de este método de prueba, conocido cariñosamente como "cocinar y mirar", es que es lento. Los investigadores del MIT informan una opción más dinámica esta semana letras de física aplicada , de AIP Publishing, para controlar continuamente las propiedades de los materiales expuestos a la radiación durante la exposición. Esto proporciona información en tiempo real sobre la evolución microestructural de un material.
"En el Laboratorio de Materiales Nucleares de Mesoescala del MIT, hemos estado desarrollando mejoras en una técnica llamada 'espectroscopía de rejilla transitoria' TGS, que es sensible tanto al transporte térmico como a las propiedades elásticas de los materiales", dijo Cody Dennett, líder del documento.autor y candidato a doctorado en ciencias e ingeniería nuclear ". Para utilizar este tipo de método para monitorear cambios dinámicos de materiales, primero teníamos que demostrar, mediante el desarrollo y la prueba de nuevas configuraciones ópticas, que es posible medir las propiedades de los materiales en un momentode manera resuelta "
TGS se basa en inducir y, posteriormente, monitorear excitaciones periódicas en superficies de materiales utilizando un láser.
"Al pulsar la superficie de una muestra con un patrón de intensidad de láser periódico, podemos inducir una excitación material con una longitud de onda fija", dijo Dennett. "Estas excitaciones se manifiestan de diferentes maneras en diferentes sistemas, pero el tipo de respuestas nosobservados para materiales metálicos puros son principalmente ondas acústicas de superficie estacionaria ". El enfoque generalmente se conoce como una técnica de rejilla transitoria.
Para ayudar a visualizar esto, Dennett ofreció las imágenes de mover un parche, pero en este caso, en una superficie sólida donde el láser hace el "movimiento". La respuesta del "tambor" depende de la condición de su estructura y, por lo tanto, puede revelarcambios en la estructura.
"La oscilación y la descomposición de estas excitaciones están directamente relacionadas con las propiedades térmicas y elásticas del material", dijo Dennett. "Podemos monitorear estas excitaciones usando las excitaciones del material en sí mismas como una rejilla de difracción para un láser de prueba. Específicamente, monitoreamos eldifracción de primer orden del láser de sondeo porque su intensidad y oscilación reflejan directamente la amplitud y la oscilación de la excitación del material ".
La señal que los investigadores intentan detectar es muy pequeña, por lo que debe amplificarse superponiendo espacialmente un rayo láser de referencia que no contiene la señal de interés, que es un proceso llamado amplificación heterodina.
"La mayoría de las mediciones completas se realizan mediante la recopilación de múltiples mediciones en diferentes fases heterodinas una medida de la diferencia de longitud de la ruta entre la señal y el oscilador de referencia para eliminar cualquier ruido sistemático", dijo. "Así que hemos agregado una prueba adicionaltrayectoria láser, en la misma configuración óptica compacta, que nos permite recolectar mediciones en múltiples fases heterodinas simultáneamente "
Esto permite a los investigadores realizar mediciones completas de una manera restringida solo por la repetición del sistema, la tasa de detección y la relación señal / ruido deseada de la medición final global según Dennett.
"Anteriormente, las mediciones completas de este tipo requerían la actuación entre mediciones en diferentes fases heterodinas", dijo. "Con este método en la mano, podemos demostrar que las mediciones de propiedades elásticas resueltas en el tiempo en materiales dinámicos son posibles enescalas de tiempo cortas "
El método experimental del grupo se llama Espectroscopía de rejilla transitoria de recolección de fase heterodina dual DH-TGS. Es un avance significativo porque puede usarse para monitorear dinámicamente la evolución de los sistemas de materiales.
"Nuestra técnica es sensible a las propiedades de transporte elástico y térmico, que pueden ser indicativas de cambios microestructurales dentro de los sistemas de materiales que se monitorean", dijo Dennett.
También es a la vez no destructivo y sin contacto, lo que significa que, siempre y cuando se establezca el acceso óptico a una muestra con suficiente calidad de superficie, se puede usar para monitorear los cambios en las propiedades en tiempo real como resultado de cualquier "forzamiento externo" como la temperatura,voltaje o irradiación
Debido a que DH-TGS es un material de diagnóstico no destructivo, Dennett dijo que hay muchos sistemas que uno podría imaginar estudiar a medida que se desarrolla la evolución microestructural. "Estamos interesados en el caso de daño por radiación en particular, pero otras aplicaciones podrían incluir estudiarmateriales de cambio de fase de temperatura, o monitoreo en tiempo real de la formación de capas de óxido en aleaciones de acero ", dijo.
"[Estamos] tratando de habilitar el monitoreo no destructivo en tiempo real de los sistemas de materiales dinámicos", dijo Dennett. "Pero otro objetivo nuestro es difundir las habilidades de este tipo de metodología más ampliamente. Tenemos aplicaciones particularesen mente para nuestros próximos pasos, pero la relativa facilidad de implementación debería hacerlo interesante para una amplia gama de científicos de materiales "
Su próxima iteración experimental consiste en construir una cámara objetivo para un acelerador de haz de iones para que puedan ver cómo evolucionan los materiales en tiempo real durante la exposición.
"El trabajo que presentamos en letras de física aplicada fue la última pieza del rompecabezas que se interpuso entre nosotros y se dio cuenta de la motivación general para el proyecto ", dijo Dennett.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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