Può essere sorprendente apprendere che molto rimane sconosciuto sugli effetti delle radiazioni sui materiali. Per trovare risposte, I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) stanno sviluppando tecniche per esplorare l'evoluzione microstrutturale e il degrado dei materiali esposti alle radiazioni.

Oggi, la maggior parte dei test sui materiali irradiati comporta la progettazione di un materiale, esponendolo alle radiazioni, e testare in modo distruttivo il materiale per determinare come cambiano le sue caratteristiche prestazionali. Di particolare interesse sono i cambiamenti nelle proprietà di trasporto meccanico e termico con cui i ricercatori cercano di determinare la durata per un uso sicuro del materiale nei sistemi di ingegneria all'interno di ambienti con radiazioni.

Uno svantaggio di questo metodo di prova, affettuosamente chiamato "cuoco e guarda, " è che è lento. I ricercatori del MIT segnalano un'opzione più dinamica questa settimana in Lettere di fisica applicata , monitorare continuamente le proprietà dei materiali esposti alle radiazioni durante l'esposizione. Ciò fornisce informazioni in tempo reale sull'evoluzione microstrutturale di un materiale.

"Al Mesoscale Nuclear Materials Lab del MIT, abbiamo sviluppato miglioramenti a una tecnica chiamata "spettroscopia a reticolo transitorio" (TGS), sensibile sia al trasporto termico che alle proprietà elastiche dei materiali, " disse Cody Dennett, l'autore principale del documento e un dottorando in scienze e ingegneria nucleare. "Per utilizzare questo tipo di metodo per monitorare i cambiamenti dinamici dei materiali, per prima cosa dovevamo dimostrare, tramite lo sviluppo e il test di nuove configurazioni ottiche, che è possibile misurare le proprietà dei materiali in modo tempestivo".

Il TGS si basa sull'induzione e il successivo monitoraggio di eccitazioni periodiche sulle superfici dei materiali mediante un laser.

"Facendo pulsare la superficie di un campione con un modello di intensità laser periodica, possiamo indurre un'eccitazione materiale con una lunghezza d'onda fissa, "Dennett ha detto. "Queste eccitazioni si manifestano in modi diversi in sistemi diversi, ma il tipo di risposte che abbiamo osservato per i materiali metallici puri sono principalmente onde acustiche di superficie stazionarie." L'approccio è generalmente indicato come una tecnica di reticolo transitorio.

Per aiutare a visualizzare questo, Dennett ha offerto l'immagine di scuotere una pelle di tamburo, ma in questo caso, su una superficie solida dove il laser fa il "sfarfallio". La risposta del "tamburo" dipende dalle condizioni della sua struttura e può quindi rivelare cambiamenti nella struttura.

"L'oscillazione e il decadimento di queste eccitazioni sono direttamente correlati alle proprietà termiche ed elastiche del materiale, "Dennett ha detto. "Possiamo monitorare queste eccitazioni utilizzando le stesse eccitazioni del materiale come reticolo di diffrazione per un laser di sondaggio. Nello specifico, monitoriamo la diffrazione del primo ordine del laser di sondaggio perché la sua intensità e oscillazione riflettono direttamente l'ampiezza e l'oscillazione dell'eccitazione del materiale".

Il segnale che i ricercatori stanno cercando di rilevare è molto piccolo, quindi deve essere amplificato sovrapponendo spazialmente un raggio laser di riferimento che non contiene il segnale di interesse, che è un processo chiamato amplificazione eterodina.

"Le misurazioni più complete vengono effettuate raccogliendo misurazioni multiple in diverse fasi eterodina (una misura della differenza di lunghezza del percorso) tra il segnale e l'oscillatore di riferimento per rimuovere qualsiasi rumore sistematico, ", ha detto. "Quindi abbiamo aggiunto un ulteriore percorso laser di sondaggio, nella stessa configurazione ottica compatta, che ci consente di raccogliere misurazioni a più fasi eterodina contemporaneamente".

Ciò consente ai ricercatori di effettuare misurazioni complete in un modo vincolato solo dalla ripetizione del sistema, tasso di rilevamento e rapporto segnale-rumore desiderato della misurazione finale complessiva secondo Dennett.

"In precedenza, misurazioni complete di questo tipo richiedono l'attivazione tra misurazioni a diverse fasi eterodina, " ha detto. "Con questo metodo in mano, siamo in grado di dimostrare che le misurazioni risolte nel tempo delle proprietà elastiche su materiali dinamici sono possibili in tempi brevi".

Il metodo sperimentale del gruppo si chiama spettroscopia a reticolo transitorio a doppia fase eterodina (DH-TGS). È un progresso significativo perché può essere utilizzato per monitorare dinamicamente l'evoluzione dei sistemi materiali.

"La nostra tecnica è sensibile alle proprietà elastiche e di trasporto termico, che possono essere indicativi di cambiamenti microstrutturali all'interno dei sistemi materiali monitorati, " ha detto Dennet.

È anche non distruttivo e senza contatto, il che significa che finché viene stabilito l'accesso ottico a un campione con una qualità superficiale sufficiente, può essere utilizzato per monitorare in tempo reale i cambiamenti di proprietà a seguito di qualsiasi "forzatura esterna" come temperatura, tensione o irraggiamento.

Poiché DH-TGS è un materiale diagnostico non distruttivo, Dennett ha affermato che ci sono molti sistemi che si potrebbero immaginare studiando mentre è in corso l'evoluzione microstrutturale. "Siamo interessati in particolare al caso dei danni da radiazioni, ma altre applicazioni potrebbero includere lo studio di materiali a cambiamento di fase a bassa temperatura, o monitoraggio in tempo reale della formazione dello strato di ossido su leghe di acciaio, " Egli ha detto.

"[Stiamo] cercando di abilitare il tempo reale, monitoraggio non distruttivo di sistemi di materiali dinamici, " ha detto Dennett. "Ma un altro nostro obiettivo è quello di diffondere più ampiamente le capacità di questo tipo di metodologia. Abbiamo in mente applicazioni particolari per i nostri prossimi passi, ma la relativa facilità di implementazione dovrebbe renderlo interessante per un'ampia gamma di scienziati dei materiali".

La loro prossima iterazione sperimentale prevede la costruzione di una camera bersaglio per un acceleratore di fasci di ioni in modo che possano osservare l'evoluzione dei materiali in tempo reale durante l'esposizione.

"Il lavoro che abbiamo presentato in Lettere di fisica applicata era l'ultimo pezzo del puzzle che si frapponeva tra noi e realizzava la motivazione generale per il progetto, " ha detto Dennet.