Von LEDs bis hin zu Batterien – unser Leben ist voller Elektronik und es wird ständig versucht, sie effizienter und zuverlässiger zu machen. Da die Komponenten jedoch immer ausgefeilter werden, kann es eine Herausforderung sein, zuverlässige Temperaturmessungen bestimmter Elemente im Inneren eines Objekts zu erhalten.
Dies ist problematisch, da die Messung der Temperatur eines Geräts für die Überwachung seiner Leistung oder die Entwicklung der Materialien, aus denen es hergestellt wird, von entscheidender Bedeutung ist. In einer neuen Studie unter der Leitung der Universität Osaka wurden nun Neutronen verwendet, um Temperaturen schnell und genau zu messen, was letztendlich zu einer Leistungsverbesserung für alle Arten von Elektronik führen könnte.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Temperatur in einem elektronischen Gerät zu bestimmen, aber keine davon ermöglicht eine schnelle, direkte Messung. Diese neue Methode verwendet eine Technik namens Neutronenresonanzabsorption (NRA). Durch die Untersuchung der Absorption von Neutronen durch Atomkerne bei bestimmten Energieniveaus können die Eigenschaften des Materials abgeleitet werden.
Die Neutronen in dieser Studie wurden mit hochintensiven Laserstrahlen erzeugt. Anschließend werden die Neutronen auf ein sehr niedriges Energieniveau abgebremst, bevor sie durch eine Probe geleitet werden. Die Technik wurde mit Platten aus Tantal und Silber getestet und lieferte erfolgreich und mit außergewöhnlicher Geschwindigkeit Details über die Materialien und Temperaturen.
Die Forscher konnten die Temperatur der Proben bestimmen, da sich das zeitliche Signal des NRA bei einer Änderung der Temperatur des Probenmaterials in vorhersehbarer Weise veränderte.
„Mit dieser Technologie ist es möglich, die Temperatur sofort und genau zu messen“, erklärt Zechen Lan, Hauptautor. „Da unsere Methode zerstörungsfrei ist, kann sie zur Überwachung von Geräten wie Batterien und Halbleiterbauelementen eingesetzt werden.“
Da die NRA-Messung mit einem einzigen Neutronenimpuls durchgeführt wird, kann die neu entwickelte Technik Temperaturdaten in einem Fenster von 100 Nanosekunden, also einer Zehnmillionstelsekunde, erfassen. Dieses nahezu sofortige Ergebnis bedeutet, dass Veränderungen innerhalb eines Materials nahezu in Echtzeit gemessen werden können, was eine detaillierte Analyse ermöglicht.
„Die Verwendung von Lasern zur Erzeugung und Beschleunigung von Ionen und Neutronen ist nichts Neues, aber die Techniken, die wir in dieser Studie entwickelt haben, stellen einen aufregenden Fortschritt dar“, sagt der leitende Autor Akifumi Yogo. „Wir erwarten, dass die hohe zeitliche Auflösung es uns ermöglicht, Elektronik detaillierter zu untersuchen, normale Betriebsbedingungen zu verstehen und Anomalien zu lokalisieren.“
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das vom Forschungsteam entwickelte Messgerät etwa ein Zehntel so groß ist wie andere ähnliche Geräte, was bedeutet, dass Labore anderswo problemlos eigene Versionen davon installieren können.
Durch die Möglichkeit, die Betriebstemperaturen von Geräten und der Materialien, aus denen sie bestehen, schnell und genau zu messen, können wir unser Verständnis ihrer Funktionsweise verbessern und in Zukunft weitere Verbesserungen erzielen.
Mehr Informationen:
Einzelschuss-Laser-Neutronenresonanzspektroskopie zur Temperaturprofilierung, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49142-y