Midiendo la temperatura dentro de objetos tridimensionales

Ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison han hecho posible la determinación a distancia de la temperatura bajo la superficie de ciertos materiales mediante una nueva técnica que ellos llaman termografía de profundidad. El método puede ser útil en aplicaciones en las que las tradicionales sondas de temperatura no funcionarán, como la supervisión del rendimiento de semiconductores o los reactores nucleares de la próxima generación.

Muchos sensores de temperatura miden la radiación térmica, la mayor parte de la cual se halla en el espectro infrarrojo, que es emitida desde la superficie de un objeto. Cuanto más caliente está el objeto, más radiación emite, lo cual es la base de aparatos como las cámaras de imágenes térmicas.

La termografía de profundidad, sin embargo, va más allá de la superficie y trabaja con una cierta clase de materiales que son parcialmente transparentes a la radiación infrarroja.

"Podemos medir el espectro de la radiación térmica emitida por el objeto y utilizar un sofisticado algoritmo para inferir la temperatura no solo en la superficie, sino también debajo de ella, de decenas a cientos de micrones de profundidad", dice Mikhail Kats, profesor de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Wisconsin-Madison. "Somos capaces de hacerlo con precisión y exactitud, al menos en algunos casos".

Kats, su investigadora asociada Yuzhe Xiao y sus colegas describieron la técnica en la revista ACS Photonics.

Una imagen infrarroja de la ventana de sílice fundida utilizada para probar el concepto de termografía de profundidad. Para el proyecto, el equipo calentó la sílice, un tipo de vidrio, y la analizó usando un espectrómetro. Luego midieron las lecturas de temperatura de varias profundidades de la muestra. (Fotos: Mikhail Kats)

Para el proyecto, el equipo calentó un trozo de sílice fundido, un tipo de vidrio, y lo analizó utilizando un espectrómetro. Luego midieron las lecturas de temperatura a varias profundidades de la muestra usando herramientas computacionales previamente desarrolladas por Xiao en las que calculó la radiación térmica emitida por objetos compuestos de múltiples materiales. Trabajando al revés, usaron el algoritmo para determinar el gradiente de temperatura que mejor se ajustaba a los resultados experimentales.

Kats afirma que este esfuerzo en particular fue una prueba de concepto. En futuros trabajos, espera aplicar la técnica a materiales multicapa más complicados y espera aplicar técnicas de aprendizaje automático para mejorar el proceso. Kats quiere llegar a usar la termografía de profundidad para los dispositivos semiconductores, para obtener información sobre sus distribuciones de temperatura a medida que van operando.

Esa no es la única aplicación potencial de la técnica. Este tipo de perfil de temperatura tridimensional también podría utilizarse para medir y trazar mapas de nubes de gases y líquidos de alta temperatura.

También dice que la técnica podría ayudar a medir la conductividad térmica y las propiedades ópticas de los materiales sin necesidad de colocar sondas de temperatura.

"Esta es una forma completamente remota, sin contacto, de medir las propiedades térmicas de los materiales de una manera que no se podía hacer antes", dice Kats. (Fuente: NCYT Amazings)