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    Recopilación de datos en tiempo real para la evolución microestructural del material durante la exposición a la radiación

    Esta es una imagen de exposición de largo alcance de la disposición óptica de los investigadores en la que destacan algunas de las trayectorias del rayo láser. Crédito:Cody A. Dennett y Michael P. Short / MIT

    Puede resultar 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 dia, La mayoría de las pruebas de materiales irradiados implican el diseño de un material, exponerlo a la radiación, y probar destructivamente el material para determinar cómo cambian sus características de desempeño. De particular interés son los cambios en las propiedades de transporte mecánico y térmico con los que los investigadores intentan determinar la vida útil para un uso seguro del material en sistemas de ingeniería en entornos de radiación.

    Un inconveniente con este método de prueba, cariñosamente conocido como "cocinar y mirar, "es que es lento. Los investigadores del MIT informan una opción más dinámica esta semana en Letras de física aplicada , para monitorear 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 'espectroscopia de rejilla transitoria' (TGS), que es sensible tanto al transporte térmico como a las propiedades elásticas de los materiales, "dijo Cody Dennett, autor principal del artículo y candidato a doctorado en ciencia e ingeniería nucleares. "Para utilizar este tipo de método para supervisar los 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 de una manera resuelta en el tiempo ".

    TGS se basa en inducir y posteriormente monitorear excitaciones periódicas en las superficies del material usando un láser.

    "Pulsando la superficie de una muestra con un patrón periódico de intensidad láser, 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 que observamos para los materiales metálicos puros son principalmente ondas acústicas superficiales estacionarias ”. El enfoque generalmente se conoce como una técnica de rejilla transitoria.

    Para ayudar a visualizar esto, Dennett ofreció la imagen de tocar un parche de tambor, pero en este caso, sobre una superficie sólida donde el láser hace el "parpadeo". La respuesta del "tambor" depende del estado de su estructura y, por lo tanto, puede revelar cambios en la estructura.

    "La oscilación y el decaimiento de estas excitaciones están directamente relacionados con las propiedades térmicas y elásticas del material, ", Dijo Dennett." Podemos monitorear estas excitaciones utilizando las propias excitaciones del material como una rejilla de difracción para un láser de sondeo. Específicamente, monitoreamos la difracción de primer orden del láser de sondeo porque su intensidad y oscilación reflejan directamente la amplitud y oscilación de la excitación del material ".

    La señal que los investigadores están tratando de 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 ruta láser de sondeo adicional, en la misma configuración óptica compacta, que nos permite recopilar mediciones en múltiples fases heterodinas al mismo tiempo ".

    Esto permite a los investigadores realizar mediciones completas de una manera limitada solo por la repetición del sistema, tasa de detección y relación señal / ruido deseada de la medición final global según Dennett.

    "Previamente, las mediciones completas de este tipo requirieron actuación entre mediciones en diferentes fases heterodinas, ", dijo." Con este método en la mano, podemos demostrar que las mediciones de propiedades elásticas con resolución temporal en materiales dinámicos son posibles en escalas de tiempo breves ".

    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 elásticas y térmicas, lo que puede ser indicativo de cambios microestructurales dentro de los sistemas de materiales que se monitorean, "Dijo Dennett.

    También es no destructivo y sin contacto, lo que significa que siempre que se establezca el acceso óptico a una muestra con suficiente calidad de superficie, Se puede usar para monitorear cambios de propiedades en tiempo real como resultado de cualquier "forzamiento externo" como la temperatura, voltaje o irradiación.

    Dado que DH-TGS es un material de diagnóstico no destructivo, Dennett dijo que hay muchos sistemas que uno podría imaginar estudiar mientras se está produciendo la evolución microestructural. "Estamos interesados ​​en el caso de daños por radiación en particular, pero otras aplicaciones pueden incluir el estudio de materiales de cambio de fase a baja temperatura, o monitorización en tiempo real de la formación de capas de óxido en aleaciones de acero, " él dijo.

    "Estamos intentando habilitar el tiempo real, monitorización no destructiva de sistemas de materiales dinámicos, ", dijo Dennett." Pero otro objetivo nuestro es difundir las habilidades de este tipo de metodología más ampliamente. Tenemos aplicaciones particulares en 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 implica la construcción de una cámara objetivo para un acelerador de haz de iones para que puedan ver la evolución de 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 nos dimos cuenta de la motivación general del proyecto, "Dijo Dennett.

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