Het is misschien moeilijk te geloven dat fragiele, ultradunne stukjes materiaal zo licht als een veertje en ongeveer zo groot als een stuk kauwgom zouden een enorme impact kunnen hebben op duizenden neutronenexperimenten per jaar. Maar deze gespecialiseerde films, bekend als diamantstripperfolies, een indrukwekkende rol spelen bij Spallation Neutron Source van Oak Ridge National Laboratory.

de SNS, een Department of Energy Office of Science User Facility, kon niet werken zonder de folies, die elektronen strippen in een proces dat resulteert in de creatie van een krachtige protonpuls die wordt gebruikt om neutronen te produceren voor materiaalwetenschappelijk onderzoek.

Mike Pruim, teamleider accelerator physics en manager ringgebied, legde de rol van de folie uit. Negatief geladen waterstofionen, elk met een proton en twee elektronen, reizen door de lineaire versneller. De folie stript elektronen weg van het proton, ze deponeren in een elektronencollector. De resterende protonenbundel beweegt in de accumulatorring en circuleert 1, 000 keer terwijl nieuwe protonen zich bij het cluster voegen.

"Stel je hebt een trein die 1 is 000 goederenwagens lang, "Zei Plum. "Als je de eerste goederenwagon neemt en hem in de ring injecteert, tegen de tijd dat hij terugkeert naar het startpunt, komt de tweede goederenwagen binnen en gaat er bovenop, en dan komt de derde binnen. Dus, je hebt een trein genomen die 1 is 000 gesloten goederenwagens lang en transformeerde het in een trein die één goederenwagen lang is maar 1, 000 goederenwagens hoog."

Zodra de draaiende protonen voldoende vermogen genereren voor optimale neutronenverstrooiing, de opslagring geeft een intense protonpuls af om het kwikdoel van SNS te raken, waardoor neutronen "afspatten" of in elke richting stuiteren. De resulterende spallatie kan worden benut door de neutronen in bundelgeleiders te leiden, wat leidt tot gespecialiseerde instrumenten waar onderzoekers experimenten uitvoeren om materialen te bestuderen.

Met stripperfolies kan SNS-personeel de straal manipuleren om straalverlies te minimaliseren, waardoor waardevolle deeltjes worden verspild en het algehele proces wordt belemmerd.

"In plaats van dat de straal lang en dun is, willen we hem kort en dicht maken, "Zei Plum. "De enige praktische manier om dat te doen is om stripperfolies te gebruiken."

Omdat de folies een essentiële rol spelen in de dagelijkse operatie, een superieur productontwerp en een gestroomlijnd productieproces zijn van fundamenteel belang. Beide factoren vereisen aandacht voor detail en een voortdurend bijgewerkte aanpak, productie tot een constante leerervaring maken.

De fabricage vindt plaats in het Nanofabrication Research Laboratory, of NRL, een cleanroom-faciliteit bij ORNL's Centre for Nanophase Materials Sciences. Voordelen van deze locatie zijn onder meer de nabijheid van SNS en meer geavanceerde apparatuur, wat leidt tot een verhoogde folie-output.

"Deze folies hebben unieke filmeigenschappen waardoor ze een ongewoon lange levensduur hebben bij relatief hoge bundelstromen, twee parameters die cruciaal zijn voor de succesvolle werking van SNS, " zei Dayrl Briggs, NRL technische operaties leiden bij CNMS.

Ondanks de kwetsbaarheid van de folies, ze zijn bestand tegen intense ionenbundelomstandigheden. Elke individuele folie is erg dun, met een dikte van ongeveer 1 micrometer. Als ze dikker waren, de protonenbundel zou aanzienlijk worden verzwakt tijdens het passeren van de folie, wat het proces zou bemoeilijken.

"Stripperfolies zitten aan de rand van wat technologisch mogelijk is, "Zei Plum. "Ze worden zo heet en worden zo in elkaar geslagen door de straalomstandigheden dat het een echte uitdaging is om onze stripperfolies lang mee te laten gaan."

Echter, het voortdurende spervuur ​​van ionenpulsen is niet de enige bedreiging voor de bruikbaarheid.

"Deze folies zijn erg gevoelig voor elke vorm van luchtbeweging of mechanische schokken, " zei Chris Geluk, wie onderzoekt, tarieven, en beveelt folies aan voor gebruik bij SNS. "Elke folie is uniek, dus ik bestudeer ze allemaal om er zeker van te zijn dat er geen tranen of andere onvolkomenheden zijn."

Het folieteam werd onlangs geëerd met een UT-Battelle-prijs voor het algehele succes van het streven en voor zijn inzet voor het verbeteren van de folieproductie en -prestaties. Hun moderniseringsproject voor de ontwikkeling van folie omvatte logistieke veranderingen, zoals het verkrijgen van een gespecificeerd hulpmiddel voor chemische dampafzetting in microgolven, gebouwd, getest en geïnstalleerd bij NRL.

Teamleden zijn onder meer Michael Baumgartner, Michael Pruim, Chris Geluk, en Jeremy Price van SNS en Dayrl Briggs, Dale Hensley, Kevin Lester, Scott Retter, Bernadeta R. Srijanto, en Leslie Wilson van CNMS. Plum citeerde ook de cruciale bijdragen van Robert Shaw van de Chemical Sciences Division van het lab, die het oorspronkelijke folieproductieteam leidde.

Briggs wil dat folies in de toekomst een langere levensduur en een betere betrouwbaarheid hebben. Om deze doelen te bereiken, het team zal de structuur en prestaties van de diamantfolie beter moeten begrijpen. Verder, hij legde uit, het team heeft tests uitgevoerd om ervoor te zorgen dat nieuwe folies uniform zijn, bestaande films als basis gebruiken om de efficiëntie te verhogen.

"De mogelijkheid om twee monsters tegelijk te verwerken, naast een verdubbeling van onze doorvoer, stelt ons in staat om het ene monster in de SNS-neutronenbundel te installeren en het andere te bestuderen als een getuigenmonster, "Zei Briggs. "We kunnen dan de prestaties in de bundel correleren met filmkenmerken."

Terwijl het team het folieproductieproces bij NRL blijft aanscherpen, Plum verwacht verdere verbeteringen in de folies vanwege de enorme technologische mogelijkheden van de faciliteit.

"Ze hebben behoorlijk geavanceerde tools bij CNMS, "Zei Plum. "We zullen die tools gebruiken om erachter te komen hoe we onze stripperfolies nog beter kunnen maken."