Pode ser surpreendente saber que ainda há muito desconhecido sobre os efeitos da radiação nos materiais. Para encontrar respostas, Os pesquisadores do Massachusetts Institute of Technology (MIT) estão desenvolvendo técnicas para explorar a evolução microestrutural e a degradação de materiais expostos à radiação.

Hoje, a maioria dos testes de materiais irradiados envolve a concepção de um material, expondo-o à radiação, e testar destrutivamente o material para determinar como suas características de desempenho mudam. De particular interesse são as mudanças nas propriedades de transporte mecânico e térmico com as quais os pesquisadores tentam determinar o tempo de vida para uso seguro do material em sistemas de engenharia em ambientes de radiação.

Uma desvantagem desse método de teste, carinhosamente conhecido como "cozinhar e olhar, "é que está lento. Pesquisadores do MIT relatam uma opção mais dinâmica esta semana em Cartas de Física Aplicada , monitorar continuamente as propriedades dos materiais expostos à radiação durante a exposição. Isso fornece informações em tempo real sobre a evolução microestrutural de um material.

"No Laboratório de Materiais Nucleares de Mesoescala do MIT, estamos desenvolvendo melhorias para uma técnica chamada 'espectroscopia de grade transiente' (TGS), que é sensível tanto ao transporte térmico quanto às propriedades elásticas dos materiais, "disse Cody Dennett, o autor principal do artigo e um candidato a doutorado em ciência e engenharia nuclear. "Para usar este tipo de método para monitorar mudanças dinâmicas de materiais, primeiro precisávamos mostrar - por meio do desenvolvimento e teste de novas configurações ópticas - que é possível medir as propriedades do material de uma maneira resolvida no tempo. "

O TGS depende da indução e, subsequentemente, do monitoramento de excitações periódicas nas superfícies dos materiais usando um laser.

"Ao pulsar a superfície de uma amostra com um padrão de intensidade de laser periódico, podemos induzir uma excitação de material com um comprimento de onda fixo, "Dennett disse." Essas excitações se manifestam de maneiras diferentes em sistemas diferentes, mas o tipo de respostas que observamos para materiais metálicos puros são principalmente ondas acústicas de superfície estacionárias. "A abordagem é geralmente referida como uma técnica de grade transitória.

Para ajudar a visualizar isso, Dennett ofereceu a imagem de sacudir uma pele de tambor, mas neste caso, em uma superfície sólida onde o laser faz o "movimento". A resposta do "tambor" depende da condição de sua estrutura e pode, portanto, revelar mudanças na estrutura.

“A oscilação e decadência dessas excitações estão diretamente relacionadas às propriedades térmicas e elásticas do material, "Dennett disse." Podemos monitorar essas excitações usando as próprias excitações de material como uma rede de difração para um laser de sondagem. Especificamente, monitoramos a difração de primeira ordem do laser de sondagem porque sua intensidade e oscilação refletem diretamente a amplitude e oscilação da excitação do material. "

O sinal que os pesquisadores estão tentando detectar é muito pequeno, por isso deve ser amplificado pela sobreposição espacial de um feixe de laser de referência que não contém o sinal de interesse, que é um processo denominado amplificação heteródina.

"As medições mais completas são feitas através da coleta de várias medições em diferentes fases heteródinas (uma medida da diferença de comprimento do caminho) entre o oscilador de sinal e de referência para remover qualquer ruído sistemático, ", disse ele." Então, adicionamos um caminho de laser de sondagem adicional - na mesma configuração óptica compacta - que nos permite coletar medições em várias fases heteródinas simultaneamente. "

Isso permite que os pesquisadores façam medições completas de uma maneira restrita apenas pela repetição do sistema, taxa de detecção e relação sinal-ruído desejada da medição final geral de acordo com Dennett.

"Anteriormente, medições completas deste tipo exigiam atuação entre medições em diferentes fases heteródinas, "disse ele." Com este método em mãos, somos capazes de mostrar que as medições resolvidas no tempo das propriedades elásticas em materiais dinâmicos são possíveis em escalas de tempo curtas. "

O método experimental do grupo é denominado Dual Heterodyne Phase Collection Transient Grating Spectroscopy (DH-TGS). É um avanço significativo porque pode ser usado para monitorar dinamicamente a evolução dos sistemas de materiais.

"Nossa técnica é sensível às propriedades de transporte elástico e térmico, o que pode ser indicativo de mudanças microestruturais dentro dos sistemas de materiais sendo monitorados, "Dennett disse.

É também não destrutivo e sem contato, o que significa que, enquanto o acesso óptico a uma amostra com qualidade de superfície suficiente for estabelecido, pode ser usado para monitorar mudanças de propriedade em tempo real como resultado de qualquer "força externa", como temperatura, tensão ou irradiação.

Porque DH-TGS é um diagnóstico de material não destrutivo, Dennett disse que há muitos sistemas que se pode imaginar estudar à medida que a evolução microestrutural está ocorrendo. "Estamos interessados ​​no caso de danos por radiação em particular, mas outras aplicações podem incluir o estudo de materiais de mudança de fase de baixa temperatura, ou monitoramento em tempo real da formação da camada de óxido em ligas de aço, " ele disse.

"Estamos tentando habilitar em tempo real, monitoramento não destrutivo de sistemas de materiais dinâmicos, "disse Dennett." Mas outro objetivo nosso é disseminar as habilidades desse tipo de metodologia mais amplamente. Temos aplicações específicas em mente para nossas próximas etapas, mas a relativa facilidade de implementação deve torná-lo interessante para uma ampla gama de cientistas de materiais. "

Sua próxima iteração experimental envolve a construção de uma câmara-alvo para um acelerador de feixe de íons, de modo que eles possam observar os materiais se desenvolverem em tempo real durante a exposição.

“O trabalho que apresentamos em Cartas de Física Aplicada era a última peça do quebra-cabeça que nos separava da compreensão da motivação geral para o projeto, "Dennett disse.