Neutron pinhole forstørrer opdagelser på ORNL

Avancerede materialer er vitale ingredienser i produkter, som vi er afhængige af, som batterier, jetmotorblade, 3D-trykte komponenter i biler. Forskere og ingeniører bruger oplysninger om atomers struktur og bevægelse i disse materialer til at designe komponenter, der gør disse produkter mere pålidelige, effektiv og sikker at bruge.

I dag, der er grænser for, hvor meget forskere kan se på atomskala i disse materialer - især mens de er i brug, og det gør det meget sværere at designe nye komponenter, der er eksponentielt bedre end det, vi har i dag.

For at levere de data, der er nødvendige for at forbedre disse produkter, et team af ingeniører og forskere fra Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory (ORNL) har udviklet en ny pinhole-baseret diffraktionsteknik, de kalder PIND. I et papir udgivet i Anvendt fysik bogstaver , de beviste, at det er muligt drastisk at forbedre forstørrelsen og opløsningen af ​​strukturer dybt inde i konstruerede komponenter med pinhole -diffraktion.

"I en første time-of-flight neutrondiffraktion på VULCAN-instrumentet, vi var i stand til at øge opløsningen med nogenlunde en størrelsesorden med et hulhul, "sagde Ke An, en ORNL -instrumentforsker.

Konceptet er enkelt. Ligesom mikroskoper bruger linser til at fokusere lys til at forstørre et objekt, et perfekt placeret pinhole eller spalte kan fokusere neutronerne, der spreder en prøve, når de passerer igennem. Denne lille tilføjelse til VULCAN -instrumentet ved ORNL's Spallation Neutron Source (SNS), kombineret med tilføjelsen af ​​en ny og forbedret helium-3-detektor, øget instrumentets rumlige opløsning med otte gange:fra 2, 000 mikron (µm), nogenlunde tykkelsen af ​​en spaghetti nudel, til cirka 250 µm, som er omkring længden af ​​30 blodlegemer i en lige linje.

"Ikke alene har vi bevist, at det er muligt drastisk at forbedre opløsningen af ​​neutrondiffraktometre med et hulhul, men vi mener, at det kan være muligt at forbedre opløsningen yderligere til omkring 100 µm med fremtidige detektorer, "sagde Alexandru D. Stoica, en ORNL -instrumentforsker. "Stigninger i opløsning som denne er spændende, fordi de åbner nye muligheder for videnskabelige undersøgelser af avancerede materialer."

I modsætning til røntgenstråler, neutroner er meget gennemtrængende og ikke -destruktive. Dette gør dem til en ideel sonde til undersøgelse af 3D-trykte og avancerede tekniske materialer, i realtid under realistiske driftsbetingelser. VULCANs evne til at drage fordel af disse særlige egenskaber gør det til et glimrende værktøj til at studere ændringer i molekylær struktur; skifter fra en stat til en anden, som fra et fast stof til en væske (en fasetransformation); indre spændinger forårsaget, når kraft påføres et objekt; og tekstur i ingeniørmaterialer. ORNL-forskergruppen brugte VULCAN til at studere sidstnævnte i lavkulstofstål svejset med et nikkelmetalfyldstof.

"Med denne nye neutrondiffraktionsteknik, vi var i stand til at se fordelingen af ​​komplette grupper af krystaller - alle peger i samme retning - i større detaljer end nogensinde før og uden at skade dem i processen, "Sagde en." Vi var også i stand til at se, hvordan de forskellige krystalgrupper ændrede deres orientering i realtid, da kraft blev påført svejsningen. "

Projektet blev støttet af ORNL's Laboratory Directed Research and Development (LDRD) tilskud. Udover Stoica og An, ORNL's Wei Wu, Kevin Berry, Matthew Frost og Harley Skorpenske bidrog til projektet.

"Bevæger sig fremad, vi lægger planer om at udskifte alle VULCAN's detektorer med den nye og forbedrede detektor og at afslutte mere forskning for at se, hvor meget vi yderligere kan forbedre opløsningen på neutrondiffraktometre med PIND -teknikken, "Sagde en.