Het vermogen om het atomaire weefsel van materialen direct te zien, biedt cruciale informatie bij het versnellen van het ontwerp en het verbeteren van de prestaties van toekomstige technologieën. Om het gedrag en de dynamiek van materialen in de echte ruimte te visualiseren, zijn krachtige sondes en geavanceerde instrumentatie nodig.

De bouw is begonnen op VENUS, een ultramodern neutronenbeeldvormingsinstrument, bij de Spallation Neutron Source bij het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy. Dit nieuwe instrument zal een platform bieden voor het in realtime bestuderen van de samenstelling en prestaties van een breed scala aan functionele materialen in verschillende omgevingen.

VENUS zal diverse onderzoeksgebieden ten goede komen, waaronder de ontwikkeling van energiegerelateerde materialen (bijv. batterijen, nucleaire brandstoffen, biobrandstoffen); geavanceerde technische materialen (bijv. additief vervaardigde legeringen, aluminium en staal, koolstofvezels, beton, glas); en studies van archeologische en natuurlijke materialen, inzicht geven in geologische processen, biologie en plantenfysiologie.

In combinatie met SNS, 's werelds krachtigste op gepulste versneller gebaseerde neutronenbron, VENUS zal het enige open onderzoeksfaciliteitsplatform in de VS zijn dat time-of-flight neutronenbeeldvormingsmogelijkheden biedt aan gebruikers uit de academische wereld en de industrie.

Neutronen spelen een belangrijke rol in ons begrip van de materiële wereld. Wetenschappers gebruiken ze om de structuur van materie te bestuderen - van het werkblad tot de atomaire schaal - omdat neutronen diep doordringen, draag geen lading, en zijn niet-destructief, geschikt maken om te studeren, bijvoorbeeld, biologische structuren, metaalspanningen en defecten, en magnetisch gedrag in kwantummaterialen.

In het algemeen, als neutronen verstrooien, of "stuiteren" van atomen in een materiaal, ze onthullen informatie over de locatie en het gedrag van een atoom. Neutronen beeldvorming, anderzijds, maatregelen in transmissie - als neutronen door een materiaal gaan - om een ​​neutronenröntgenfoto te produceren, net als een klinische röntgenfoto.

"Neutronenbeeldvorming gaat over contrast - iets achter iets anders zien of het verschil zien tussen de ene kant van je monster en de andere, " zei ORNL-instrumentwetenschapper Hassina Bilheux, een hoofdontwikkelaar in het VENUS-project. "Bijvoorbeeld, als je lithium wilt zien terwijl het door de batterij beweegt, je hebt contrast nodig om het signaal van lithiumionen te isoleren."

Het bouwen van de VENUS-bundellijn bij SNS zal gebruikmaken van de op versneller gebaseerde neutronenbron van de faciliteit en geavanceerde beeldvormingstechnieken bieden die een aanvulling vormen op de technieken die momenteel beschikbaar zijn in de stationaire neutronenbron van het laboratorium. de Hoge Flux Isotopen Reactor. De SNS pulsed-source accelerator maakt de time-of-flight techniek mogelijk, die gebruikmaakt van tijdgestempelde neutronen die kunnen worden aangepast en voorgeselecteerd over een reeks energieën. De techniek biedt het afstembare contrast dat nodig is voor het onthullen van structurele informatie met energiezuinige neutronen met behulp van een benadering die Bragg-edge-beeldvorming wordt genoemd. Het lokaliseert ook specifieke elementen in een monster met behulp van hoogenergetische neutronen met resonantiebeeldvorming om de functionele eigenschappen en het gedrag van het materiaal beter te begrijpen.

"Bijvoorbeeld, onderscheid te maken tussen bepaalde zware elementen zoals europium, tantaal, gadolinium, en uranium, men heeft neutronen met hogere energie nodig, die SNS biedt, " zei Bilheux. "Door meten met VENUS krijgen we driedimensionale kaarten die ons laten zien waar een zwaar element zich in een monster bevindt, en we kunnen schakelen tussen verschillende zware elementen. Dat vermogen zal ongelooflijk gunstig zijn bij het optimaliseren van de efficiëntie van nieuwe nucleaire materialen, dat is een hoge prioriteit voor DOE."

VENUS ligt op schema om in 2022 te worden voltooid en zal naar verwachting in 2023 klaar zijn voor wetenschappelijke gebruikers. De bundellijn zal ervoor zorgen dat de Verenigde Staten concurrerend blijven met internationale spallatiebronnen die al geavanceerde beeldvormingsinstrumenten bouwen of momenteel gebruiken.

Om te voldoen aan de tijdlijn van 2023, de ontwikkelaars gebruiken een deel van de bundeltijd op de SNAP-diffractometer om beeldsoftware te ontwikkelen en de gebruikersgemeenschap te trainen voorafgaand aan de lancering van VENUS. Er wordt ook gewerkt aan het ontwerp van het instrument en de belangrijkste onderdelen ervan.

"VENUS stelt ons in staat om niet alleen informatie te verzamelen over de structuur van een materiaal, maar ook hoe de structuur verandert tijdens uitgeoefende belasting zoals hitte of druk, " zei Bilheux. "We zullen meer experimenten kunnen doen en snellere resultaten krijgen, allemaal zonder dat je meerdere beeldvormende instrumenten hoeft te gebruiken."

SNS is een DOE Office of Science User Facility. UT-Battelle LLC beheert ORNL voor DOE's Office of Science. Het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie is de grootste voorstander van fundamenteel onderzoek in de natuurwetenschappen in de Verenigde Staten en werkt aan het aanpakken van enkele van de meest urgente uitdagingen van onze tijd.