Det kan vara förvånande att lära sig att mycket är okänt om strålningens effekter på material. För att hitta svar, Forskare från Massachusetts Institute of Technology (MIT) utvecklar tekniker för att utforska den mikrostrukturella utvecklingen och nedbrytningen av material som utsätts för strålning.

I dag, de flesta bestrålade materialtesterna innebär att man konstruerar ett material, utsätter den för strålning, och destruktivt testa materialet för att avgöra hur dess prestandaegenskaper förändras. Av särskilt intresse är förändringar i mekaniska och termiska transportegenskaper med vilka forskare försöker bestämma livslängden för säker användning av materialet i konstruktionssystem inom strålningsmiljöer.

En nackdel med denna testmetod, kärleksfullt känd som "laga mat och titta, " är att det är långsamt. MIT-forskare rapporterar ett mer dynamiskt alternativ denna vecka i Bokstäver i tillämpad fysik , att kontinuerligt övervaka egenskaperna hos material som utsätts för strålning under exponeringen. Detta ger information i realtid om ett materials mikrostrukturella utveckling.

"På MIT:s Mesoscale Nuclear Materials Lab, vi har utvecklat förbättringar av en teknik som kallas 'transient grating spectroscopy' (TGS), som är känslig för både termisk transport och elastiska egenskaper hos material, "sa Cody Dennett, tidningens huvudförfattare och doktorand i kärnvetenskap och teknik. "Att använda den här typen av metod för att övervaka dynamiska materialförändringar, vi behövde först visa-genom att utveckla och testa nya optiska konfigurationer-att det är möjligt att mäta materialegenskaper på ett tidslöst sätt. "

TGS förlitar sig på att inducera och därefter övervaka periodiska excitationer på materialytor med hjälp av en laser.

"Genom att pulsa ytan på ett prov med ett periodiskt laserintensitetsmönster, vi kan inducera en materialexcitation med en fast våglängd, ", sa Dennett. "Dessa excitationer visar sig på olika sätt i olika system, men den typ av svar vi observerade för rena metalliska material är i första hand akustiska vågor som står på ytan. "Tillvägagångssättet kallas i allmänhet för en övergående gitterteknik.

För att hjälpa till att visualisera detta, Dennett erbjöd bilden av att snärta med ett trumskinn, men i det här fallet, på en fast yta där lasern gör "flickningen". "Trummans" svar beror på dess strukturs tillstånd och kan därför avslöja förändringar i strukturen.

"Dessa excitations oscillation och förfall är direkt relaterade till materialets termiska och elastiska egenskaper, ", sade Dennett. "Vi kan övervaka dessa excitationer genom att använda själva materialets excitationer som ett diffraktionsgitter för en sonderande laser. Specifikt, vi övervakar första ordningens diffraktion av sonderingslasern eftersom dess intensitet och oscillation direkt återspeglar amplituden och oscillationen av materialexcitationen."

Signalen forskarna försöker upptäcka är mycket liten så den måste förstärkas genom att rumsligt överlappa en referenslaserstråle som inte innehåller signalen av intresse, vilket är en process som kallas heterodyne amplifiering.

"De flesta kompletta mätningarna görs genom att samla in flera mätningar vid olika heterodyna faser (ett mått på väglängdsskillnaden) mellan signalen och referensoscillatorn för att ta bort eventuellt systematiskt brus, "Så vi har lagt till en extra sonderande laserbana - i samma kompakta optiska konfiguration - som gör att vi kan samla in mätningar vid flera heterodyna faser samtidigt."

Detta gör att forskarna kan göra fullständiga mätningar på ett sätt som endast begränsas av systemrepetitionen, detektionshastighet och önskat signal-brusförhållande för den totala slutliga mätningen enligt Dennett.

"Tidigare, fullständiga mätningar av denna typ krävde aktivering mellan mätningar vid olika heterodyna faser, "sa han." Med denna metod i handen, vi kan visa att tidsupplösta mätningar av elastiska egenskaper på dynamiska material är möjliga på korta tidsskalor. "

Gruppens experimentella metod kallas Dual Heterodyne Phase Collection Transient Grating Spectroscopy (DH-TGS). Det är ett betydande framsteg eftersom det kan användas för dynamisk övervakning av utvecklingen av materialsystem.

"Vår teknik är känslig för elastiska och termiska transportegenskaper, vilket kan tyda på mikrostrukturella förändringar i de materialsystem som övervakas, "Sa Dennett.

Det är också både oförstörande och icke -kontaktande, vilket innebär att så länge som optisk tillgång till ett prov med tillräcklig ytkvalitet är etablerad, den kan användas för att övervaka fastighetsändringar i realtid till följd av eventuell "extern tvingning" såsom temperatur, spänning eller bestrålning.

Eftersom DH-TGS är en icke-destruktiv materialdiagnostik, Dennett sa att det finns många system man kan tänka sig att studera när mikrostrukturell utveckling pågår. "Vi är särskilt intresserade av fallet med strålskador, men andra tillämpningar kan inkludera att studera lågtemperaturfasförändringsmaterial, eller realtidsövervakning av oxidskiktbildning på stållegeringar, " han sa.

"[vi] försöker aktivera realtid, icke -destruktiv övervakning av dynamiska materialsystem, ", sade Dennett. "Men ett annat mål för oss är att sprida förmågorna hos denna typ av metodik bredare. Vi har särskilda applikationer i åtanke för våra nästa steg, men den relativa lättheten att implementera borde göra det intressant för ett brett spektrum av materialforskare."

Deras nästa experimentella iteration innebär att man konstruerar en målkammare för en jonstråleaccelerator så att de kan se material utvecklas i realtid under exponering.

"Arbetet vi presenterade i Bokstäver i tillämpad fysik var den sista pusselbiten som stod mellan oss och insåg den övergripande motivationen för projektet, "Sa Dennett.