Сегодня большинство испытаний облученных материалов включает в себя проектирование материала, воздействие на него радиации и разрушающее испытание материала, чтобы определить, как изменяются его рабочие характеристики. Особый интерес представляют изменения механических и теплопередающих свойств, с помощью которых исследователи пытаются определить срок службы для безопасного использования материала в инженерных системах в радиационной среде.
Один из недостатков этого метода тестирования, который с любовью называют «готовь и смотри», заключается в том, что он медленный. На этой неделе исследователи Массачусетского технологического института сообщают в журнале Applied Physics Letters от AIP Publishing о более динамичной возможности непрерывного мониторинга свойств материалов, подвергающихся воздействию радиации во время воздействия.
Это обеспечивает информацию об эволюции микроструктуры материала в режиме реального времени.«В лаборатории мезомасштабных ядерных материалов Массачусетского технологического института мы разрабатываем усовершенствования метода, называемого« нестационарная решеточная спектроскопия »(TGS), который чувствителен как к теплопереносу, так и к упругим свойствам материалов», — сказал Коди Деннет, ведущий автор статьи, и докторант ядерных наук и техники. «Чтобы использовать этот тип метода для отслеживания динамических изменений материалов, нам сначала нужно было показать — посредством разработки и тестирования новых оптических конфигураций — что можно измерять свойства материалов с разрешением во времени».TGS основывается на создании и последующем отслеживании периодических возбуждений на поверхности материалов с помощью лазера.«Импульсируя поверхность образца с периодической диаграммой направленности лазерного излучения, мы можем вызвать возбуждение материала с фиксированной длиной волны», — сказал Деннет. «Эти возбуждения проявляются по-разному в разных системах, но тип отклика, который мы наблюдали для чистых металлических материалов, — это в первую очередь стоячие поверхностные акустические волны».
Этот подход обычно называют методом нестационарной решетки.
Чтобы визуализировать это, Деннетт предложил образ щелчка пластиной барабана, но в данном случае на твердой поверхности, где лазер «щелкает». Реакция «барабана» зависит от состояния его структуры и, следовательно, может обнаруживать изменения в структуре.
«Колебания и затухание этих возбуждений напрямую связаны с тепловыми и упругими свойствами материала», — сказал Деннет. «Мы можем контролировать эти возбуждения, используя возбуждения самого материала в качестве дифракционной решетки для зондирующего лазера. В частности, мы отслеживаем дифракцию первого порядка зондирующего лазера, потому что его интенсивность и колебания напрямую отражают амплитуду и колебания возбуждения материала. "Сигнал, который пытаются обнаружить исследователи, очень мал, поэтому он должен быть усилен путем пространственного перекрытия опорного лазерного луча, который не содержит интересующий сигнал, что представляет собой процесс, называемый гетеродинным усилением.
«Наиболее полные измерения выполняются путем сбора нескольких измерений на разных фазах гетеродина (мера разницы в длине пути) между сигналом и опорным генератором, чтобы удалить любой систематический шум», — сказал он. «Поэтому мы добавили дополнительный путь зондирующего лазера — в той же компактной оптической конфигурации — который позволяет нам одновременно собирать измерения на нескольких фазах гетеродина».Это позволяет исследователям проводить полные измерения, ограничиваясь только повторяемостью системы, скоростью обнаружения и желаемым отношением сигнал / шум общего окончательного измерения, согласно Деннетту.«Раньше для полных измерений этого типа требовалось срабатывание между измерениями на разных фазах гетеродина», — сказал он. «Используя этот метод, мы можем показать, что измерения упругих свойств динамических материалов с временным разрешением возможны в короткие сроки».
Экспериментальный метод группы называется двойной гетеродинной фазовой спектроскопией с переходной решеткой (DH-TGS). Это значительный прогресс, поскольку его можно использовать для динамического мониторинга эволюции материальных систем.«Наша технология чувствительна к свойствам упругости и теплопередачи, что может указывать на микроструктурные изменения в контролируемых системах материалов», — сказал Деннет.
Он также является неразрушающим и бесконтактным, что означает, что до тех пор, пока установлен оптический доступ к образцу с достаточным качеством поверхности, его можно использовать для отслеживания изменений свойств в реальном времени в результате любого «внешнего воздействия», такого как температура, напряжение или облучение.Поскольку DH-TGS является неразрушающим методом диагностики материалов, Деннетт сказал, что существует множество систем, которые можно было бы изучить в процессе эволюции микроструктуры. «В частности, нас интересует случай радиационного повреждения, но другие приложения могут включать изучение материалов с низкотемпературным фазовым переходом или мониторинг образования оксидного слоя на стальных сплавах в реальном времени», — сказал он.
«[Мы] пытаемся обеспечить неразрушающий мониторинг систем динамических материалов в реальном времени, — сказал Деннетт. «Но еще одна наша цель — более широко распространять возможности этого типа методологии. У нас есть определенные приложения для наших следующих шагов, но относительная простота реализации должна сделать ее интересной для широкого круга материаловедов».
Их следующая экспериментальная итерация включает создание камеры-мишени для ускорителя ионного пучка, чтобы они могли наблюдать за эволюцией материалов в реальном времени во время экспонирования.«Работа, которую мы представили в Applied Physics Letters, была последней частью головоломки, стоявшей между нами и понимающей общую мотивацию проекта», — сказал Деннетт.