Il peut être surprenant d'apprendre que beaucoup de choses restent inconnues sur les effets des rayonnements sur les matériaux. Pour trouver des réponses, Les chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) développent des techniques pour explorer l'évolution microstructurale et la dégradation des matériaux exposés aux rayonnements.

Aujourd'hui, la plupart des essais de matériaux irradiés consistent à concevoir un matériau, l'exposer aux radiations, et tester de manière destructive le matériau pour déterminer comment ses caractéristiques de performance changent. Les changements dans les propriétés de transport mécaniques et thermiques avec lesquels les chercheurs tentent de déterminer la durée de vie pour une utilisation sûre du matériau dans les systèmes d'ingénierie dans les environnements de rayonnement sont particulièrement intéressants.

Un inconvénient de cette méthode de test, affectueusement surnommé « cuisiner et regarder », " est que c'est lent. Les chercheurs du MIT rapportent une option plus dynamique cette semaine dans Lettres de physique appliquée , surveiller en permanence les propriétés des matériaux exposés au rayonnement pendant l'exposition. Cela fournit des informations en temps réel sur l'évolution microstructurale d'un matériau.

"Au laboratoire de matériaux nucléaires à mésoéchelle du MIT, nous avons développé des améliorations à une technique appelée « spectroscopie à réseau transitoire » (TGS), qui est sensible à la fois au transport thermique et aux propriétés élastiques des matériaux, " a déclaré Cody Dennett, l'auteur principal de l'article et un doctorant en sciences et ingénierie nucléaires. "Pour utiliser ce type de méthode pour surveiller les changements dynamiques des matériaux, nous devions d'abord montrer, en développant et en testant de nouvelles configurations optiques, qu'il était possible de mesurer les propriétés des matériaux de manière résolue dans le temps. »

Le TGS repose sur l'induction et la surveillance ultérieure d'excitations périodiques sur les surfaces des matériaux à l'aide d'un laser.

"En pulsant la surface d'un échantillon avec un motif d'intensité laser périodique, on peut induire une excitation matérielle avec une longueur d'onde fixe, " a déclaré Dennett. " Ces excitations se manifestent de différentes manières dans différents systèmes, mais le type de réponses que nous avons observé pour les matériaux métalliques purs sont principalement des ondes acoustiques de surface stationnaires. » L'approche est généralement appelée technique de réseau transitoire.

Pour aider à visualiser cela, Dennett a offert l'imagerie d'effleurer une peau de tambour, mais dans ce cas, sur une surface solide où le laser fait le « flicking ». La réponse du "tambour" dépend de l'état de sa structure et peut donc révéler des changements de structure.

"L'oscillation et la décroissance de ces excitations sont directement liées aux propriétés thermiques et élastiques du matériau, " a déclaré Dennett. "Nous pouvons surveiller ces excitations en utilisant les excitations matérielles elles-mêmes comme réseau de diffraction pour un laser de sondage. Spécifiquement, nous surveillons la diffraction de premier ordre du laser de sondage car son intensité et son oscillation reflètent directement l'amplitude et l'oscillation de l'excitation du matériau."

Le signal que les chercheurs tentent de détecter est très faible, il doit donc être amplifié en chevauchant spatialement un faisceau laser de référence qui ne contient pas le signal d'intérêt, qui est un processus appelé amplification hétérodyne.

"La plupart des mesures complètes sont effectuées en collectant plusieurs mesures à différentes phases hétérodynes (une mesure de la différence de longueur de trajet) entre le signal et l'oscillateur de référence pour éliminer tout bruit systématique, ", a-t-il déclaré. "Nous avons donc ajouté un chemin laser de sondage supplémentaire - dans la même configuration optique compacte - qui nous permet de collecter des mesures à plusieurs phases hétérodynes simultanément."

Cela permet aux chercheurs de faire des mesures complètes d'une manière contrainte uniquement par la répétition du système, taux de détection et rapport signal/bruit souhaité de la mesure finale globale selon Dennett.

"Précédemment, des mesures complètes de ce type nécessitent un actionnement entre les mesures à différentes phases hétérodynes, " dit-il. " Avec cette méthode en main, nous sommes en mesure de montrer que des mesures résolues dans le temps des propriétés élastiques sur des matériaux dynamiques sont possibles sur des échelles de temps courtes. »

La méthode expérimentale du groupe est appelée spectroscopie à réseau transitoire à double hétérodyne (DH-TGS). C'est une avancée significative car elle permet de suivre dynamiquement l'évolution des systèmes matériels.

"Notre technique est sensible aux propriétés de transport élastique et thermique, qui peuvent indiquer des changements microstructuraux dans les systèmes de matériaux surveillés, " a déclaré Dennett.

C'est aussi à la fois non destructif et sans contact, ce qui signifie que tant que l'accès optique à un échantillon avec une qualité de surface suffisante est établi, il peut être utilisé pour surveiller les changements de propriétés en temps réel à la suite de tout "forçage externe" tel que la température, tension ou irradiation.

Parce que le DH-TGS est un diagnostic non destructif des matériaux, Dennett a déclaré qu'il existe de nombreux systèmes que l'on pourrait envisager d'étudier à mesure que l'évolution microstructurale est en cours. « Nous sommes particulièrement intéressés par le cas des dommages causés par les radiations, mais d'autres applications pourraient inclure l'étude des matériaux à changement de phase à basse température, ou suivi en temps réel de la formation de couche d'oxyde sur les alliages d'acier, " il a dit.

"[Nous] essayons d'activer le temps réel, contrôle non destructif des systèmes dynamiques de matériaux, " a déclaré Dennett. " Mais un autre de nos objectifs est de diffuser plus largement les capacités de ce type de méthodologie. Nous avons des applications particulières en tête pour nos prochaines étapes, mais la relative facilité de mise en œuvre devrait le rendre intéressant pour un large éventail de scientifiques des matériaux. »

Leur prochaine itération expérimentale consiste à construire une chambre cible pour un accélérateur de faisceaux d'ions afin qu'ils puissent observer l'évolution des matériaux en temps réel pendant l'exposition.

« Le travail que nous avons présenté dans Lettres de physique appliquée était la dernière pièce du puzzle qui nous séparait de la motivation globale du projet, " a déclaré Dennett.