Indsamling af realtidsdata til materiel mikrostrukturel udvikling under stråling

Det kan være overraskende at lære, at meget stadig er ukendt om strålingens virkninger på materialer. For at finde svar, Massachusetts Institute of Technology (MIT) forskere udvikler teknikker til at undersøge den mikrostrukturelle udvikling og nedbrydning af materialer udsat for stråling.

I dag, mest test af bestrålede materialer involverer design af et materiale, udsætter det for stråling, og destruktivt teste materialet for at bestemme, hvordan dets ydeevneegenskaber ændres. Af særlig interesse er ændringer i mekaniske og termiske transportegenskaber, hvormed forskere forsøger at bestemme levetiden for sikker brug af materialet i ingeniørsystemer inden for strålingsmiljøer.

En ulempe ved denne testmetode, kærligt kendt som "cook and look, "er, at det er langsomt. MIT -forskere rapporterer om en mere dynamisk mulighed i denne uge i Anvendt fysik bogstaver , løbende at overvåge egenskaberne af materialer, der udsættes for stråling under eksponeringen. Dette giver information i realtid om et materiales mikrostrukturelle udvikling.

"På MIT's Mesoscale Nuclear Materials Lab, vi har udviklet forbedringer af en teknik kaldet 'transient grating spectroscopy' (TGS), som er følsom over for både termisk transport og elastiske egenskaber af materialer, "sagde Cody Dennett, papirets hovedforfatter og en ph.d. -kandidat i atomvidenskab og teknik. "For at bruge denne type metode til at overvåge ændringer af dynamiske materialer, vi havde først brug for at vise-ved at udvikle og teste nye optiske konfigurationer-at det er muligt at måle materialegenskaber på en tidsopløst måde. "

TGS er afhængig af at inducere og efterfølgende overvåge periodiske excitationer på materialeoverflader ved hjælp af en laser.

"Ved at pulse overfladen af ​​en prøve med et periodisk laserintensitetsmønster, vi kan fremkalde en materiel excitation med en fast bølgelængde, "Sagde Dennett." Disse ophidselser manifesterer sig på forskellige måder i forskellige systemer, men den type reaktioner, vi observerede for rene metalliske materialer, er primært stående overfladeakustiske bølger. "Fremgangsmåden omtales generelt som en forbigående gitterteknik.

For at hjælpe med at visualisere dette, Dennett tilbød billedet at flikke et tromlehoved, men i dette tilfælde, på en fast overflade, hvor laseren gør "flikkende". "Trommelens" svar afhænger af tilstanden af ​​dens struktur og kan derfor afsløre ændringer i strukturen.

"Disse excitations svingning og henfald er direkte relateret til materialets termiske og elastiske egenskaber, "Dennett sagde." Vi kan overvåge disse excitationer ved at bruge selve materialets excitationer som et diffraktionsgitter for en sonderende laser. Specifikt, vi overvåger den første ordens diffraktion af sonderingslaseren, fordi dens intensitet og oscillation direkte afspejler amplituden og oscillationen af ​​materialets excitation. "

Det signal, forskerne forsøger at opdage, er meget lille, så det skal forstærkes ved rumligt at overlappe en referencelaserstråle, der ikke indeholder signalet af interesse, som er en proces kaldet heterodyne amplifikation.

"De fleste fuldstændige målinger foretages ved at indsamle flere målinger i forskellige heterodyne faser (et mål for forskellen i sti længde) mellem signalet og referenceoscillatoren for at fjerne enhver systematisk støj, "sagde han." Så vi har tilføjet en ekstra sonderende lasersti - i den samme kompakte optiske konfiguration - der gør det muligt for os at samle målinger på flere heterodyne faser samtidigt. "

Dette gør det muligt for forskerne at foretage komplette målinger på en måde, der kun begrænses af systemrepetitionen, detektionshastighed og ønsket signal-støj-forhold for den samlede endelige måling ifølge Dennett.

"Tidligere har komplette målinger af denne type krævede aktivering mellem målinger i forskellige heterodyne faser, "sagde han." Med denne metode i hånden, vi er i stand til at vise, at tidsopløste målinger af elastiske egenskaber på dynamiske materialer er mulige på korte tidsskalaer. "

Gruppens eksperimentelle metode kaldes Dual Heterodyne Phase Collection Transient Grating Spectroscopy (DH-TGS). Det er et betydeligt fremskridt, fordi det kan bruges til dynamisk overvågning af udviklingen af ​​materielle systemer.

"Vores teknik er følsom over for elastiske og termiske transportegenskaber, som kan være tegn på mikrostrukturelle ændringer i de materielle systemer, der overvåges, "Sagde Dennett.

Det er også både ikke -destruktivt og ikke -kontakt, hvilket betyder, at så længe der er etableret optisk adgang til en prøve med tilstrækkelig overfladekvalitet, det kan bruges til at overvåge realtidsændringer i ejendommen som følge af enhver "ekstern forcering" såsom temperatur, spænding eller bestråling.

Fordi DH-TGS er en ikke-destruktiv materialediagnostik, Dennett sagde, at der er mange systemer, man kunne forestille sig at studere, da mikrostrukturel udvikling finder sted. "Vi er især interesserede i strålingsskadesagen, men andre applikationer kan omfatte undersøgelse af lavtemperatur faseændringsmaterialer, eller overvågning i realtid af dannelse af oxidlag på stållegeringer, " han sagde.

"[Vi] prøver at aktivere realtid, ikke -destruktiv overvågning af dynamiske materialesystemer, "sagde Dennett." Men et andet mål for os er at udbrede evnen til denne form for metode mere bredt. Vi har særlige applikationer i tankerne for vores næste trin, men den relative lette implementering burde gøre det interessant for en lang række materialeforskere. "

Deres næste eksperimentelle iteration indebærer konstruktion af et målkammer til en ionstråleaccelerator, så de kan se materialer udvikle sig i realtid under eksponering.

"Det arbejde, vi præsenterede i Anvendt fysik bogstaver var den sidste brik i puslespillet, der stod mellem os og indså den overordnede motivation for projektet, "Sagde Dennett.