Onderzoekers en ingenieurs van de Spallation Neutron Source (SNS) boeken vooruitgang bij de bouw van VENUS, het nieuwste instrument van de faciliteit voor het bestuderen van materialen op spannende nieuwe manieren die momenteel niet mogelijk zijn voor open onderzoeksprogramma's in de Verenigde Staten.

Het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE's) is de thuisbasis van twee toonaangevende onderzoeksfaciliteiten voor neutronenverstrooiing, SNS en de Hoge Flux Isotoop Reactor (HFIR). VENUS is een ultramodern beeldvormingsinstrument dat zal worden gebruikt om een ​​breed scala aan diverse materialen te bestuderen, zoals batterijmaterialen, geavanceerde legeringen, nucleair materiaal, plantenfysiologie, biologie, en zelfs archeologische artefacten. Hoewel neutronenbeeldvorming niet helemaal nieuw is, VENUS biedt time-of-flight imaging-mogelijkheden, ingeschakeld door de SNS pulsed-source accelerator, gebruikt om tegelijkertijd informatie over de structuur en het gedrag van materialen op atomaire schaal vast te leggen.

Neutronen zijn een essentieel deeltje van alle materie. Sinds het midden van de jaren 1900, wetenschappers hebben hun eigenschappen gebruikt om diep in materialen te kijken om de atomen binnenin te begrijpen. De verkregen informatie heeft geleid en blijft de technologische vooruitgang leiden. In de meeste neutronenverstrooiingsexperimenten, neutronen bieden een gemiddelde meting van een materiaal om de atomaire structuur te bepalen, atomaire bewegingen, magnetische orde, en nog veel meer eigenschappen gemiddeld over een steekproef. Een alternatieve techniek is neutronenbeeldvorming, waar aanzienlijke vooruitgang wordt geboekt en geïmplementeerd op VENUS.

Terwijl de meeste neutronenverstrooiingstechnieken materialen op atomair niveau bouwen op basis van hoe neutronen "stuiteren" of verstrooien, het IMAGING-instrument bij HFIR genereert afbeeldingen terwijl neutronen door objecten gaan. De beelden worden röntgenfoto's genoemd, vergelijkbaar met klinische röntgenfoto's, waarin tegenstelling, of hoe neutronen worden geabsorbeerd of afgebogen door verschillende materialen, onthult de interne structuur van objecten.

In tegenstelling tot röntgenfoto's, neutronen kunnen diep doordringen in materialen gemaakt van zware elementen, zoals motorblokken en turbinebladen, en zijn gevoelig voor de kernen in plaats van de omringende elektronenwolken. Dat stelt neutronen in staat om de verschillen in nucleaire isotopen te detecteren en onderscheid te maken tussen chemisch vergelijkbare elementen.

"Neutronen kunnen ook lichte elementen zien in de aanwezigheid van zwaardere. gebruikmakend van onze bestaande IMAGING-bundellijn bij HFIR, waterstofatomen kunnen worden geïsoleerd of verlicht tegen de achtergrond om te laten zien hoe water door plantenwortels reist, "zei Hassina Bilheux, hoofdonderzoeker op het gebied van beeldvormingsinstrumenten. "Dezelfde techniek kan worden gebruikt voor industriële toepassingen, zoals beeldvorming van roetafzetting in de katalysator van een auto."

Door verder te gaan dan wat mogelijk is met de IMAGING-bundellijn van HFIR - die een stabiele of constante bundel neutronen gebruikt - zal de constructie van VENUS bij de SNS-pulsbronversneller time-of-flight imaging-mogelijkheden mogelijk maken. Time-of-flight technieken gebruiken het feit dat de snelheid van een neutron afhangt van zijn energie, en door de tijd te meten waarop neutronen van de scherpe neutronenpulsen van de bron bij de beeldvormende detector aankomen, onderzoekers kunnen onderscheiden wat neutronen van verschillende energieën zien. Daarom, elk neutronenbeeld zal ook "spectroscopische" informatie bevatten.

De spectroscopische techniek biedt onderzoekers beeldvormingsmogelijkheden die complementair zijn aan die van HFIR, waardoor het mogelijk wordt om kristallijne eigenschappen van een materiaal te meten of bepaalde elementen binnen een materiaal te identificeren. In die geest, VENUS zal belangrijke inzichten verschaffen in het optimaliseren van nucleaire brandstoffen door verschillende zware elementen te isoleren en te differentiëren in een brandstof die bestaat uit elementen zoals uranium of gadolinium, bijvoorbeeld.

De weg vrijmaken

De fysieke constructie van de bundellijn begon in 2019, en het werk ligt op schema om VENUS in 2023 in gebruik te nemen.

Er werden aanzienlijke installatiewerkzaamheden uitgevoerd terwijl SNS van half februari tot begin april plat lag voor een langere geplande onderhoudscyclus. Deze recent afgeronde werkzaamheden hebben zich gericht op het storten van beton en het plaatsen van zware stalen onderdelen, zoals

• Chopper planken:Er zijn twee lagen beton gestort, de vloer optillen om een ​​plank voor de helikopters te maken - de grote metalen schijven die draaien 3, 600 keer per minuut met gedefinieerde openingen om neutronen met specifieke snelheden te selecteren en zo de pulsen van neutronen met het gewenste energiebereik te creëren.

• Bulkschildinzetstuk:Het bulkschildinzetstuk is een roestvrijstalen doos - vastgeschroefd aan de dikke betonnen muur die de instrumentenhal scheidt van het vloeibare kwikdoel - die een montagebeugel biedt voor de installatie van andere apparatuur zoals de helikopter, de straalsluiter, en de neutronenvluchtbuis - de lijnneutronen reizen van de bron naar het instrument.

• Chopper holte afscherming:een 8, Het stalen frame van 000 pond dat rond het inzetstuk van het bulkschild is geïnstalleerd, biedt ondersteuning aan de helikopter en andere apparatuur, evenals ondersteuning voor "roll-in afschermingsblokken" die later zullen worden geïnstalleerd.

"We hadden een zeer succesvolle eerste installatieperiode voor VENUS, en we hebben alle geplande activiteiten voltooid tijdens de voorjaarsstoring, " zei hoofdinstrumentingenieur Tommy Thomasson. "In de komende paar maanden, ontwerpwerk zal worden voortgezet op de afscherming en optische neutronencomponenten."

Er wordt ook gewerkt aan de aanschaf van extra afscherming, drie helikopters, en optische apparatuur met variabel diafragma. Installatie-activiteiten voor de volgende storing van half juli tot half augustus omvatten aanpassingen aan de afscherming op aangrenzende bundellijn POWGEN, evenals de installatie van de eerste VENUS ingebedde platen. De embedplaten zijn 2-inch dikke stalen platen die boven en onder de lengte van de vluchtbuis zijn geïnstalleerd. De onderste platen zullen een stabiel platform bieden voor het bevestigen van optische apparaten, en de bovenste platen zullen een stevig oppervlak vormen voor de vijf 18-tons roll-in afschermingsblokken die worden gebruikt voor stralingsbeperking.

"Het is belangrijk dat we het aantal instrumenten dat beschikbaar is bij de SNS voor onze onderzoekers maximaliseren, zodat we wetenschappelijke ontdekkingen kunnen versnellen, ", zegt Hans Christen, directeur van de Neutron Scattering Division. "Wat bijzonder opwindend is, is dat VENUS een compleet andere manier van gebruik van neutronen naar de SNS brengt, waar zowel onze academische als industriële gebruikersgemeenschappen om hebben gevraagd."