Eyes on VENUS:ORNL til at levere unik amerikansk neutronbilleddannelsesevne til videnskabelig opdagelse

Evnen til direkte at se atomstoffet af materialer giver afgørende information om at fremskynde designet og forbedre ydelsen af ​​fremtidige teknologier. At visualisere materialers adfærd og dynamik i det virkelige rum kræver kraftige sonder og avanceret instrumentering.

Byggeriet er begyndt på VENUS, et state-of-the-art neutronbilledinstrument, ved Spallation Neutron Source ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory. Dette nye instrument vil give en platform for i realtid at studere makeup og ydeevne af en lang række funktionelle materialer under forskellige miljøer.

VENUS vil gavne forskellige forskningsområder, herunder udvikling af energirelaterede materialer (f.eks. batterier, atombrændstoffer, biobrændstoffer); avancerede tekniske materialer (f.eks. additivt fremstillede legeringer, aluminium og stål, kulfiber, beton, glas); og undersøgelser af arkæologiske og naturlige materialer, giver indsigt i geologiske processer, biologi og plantefysiologi.

Sammen med SNS, verdens mest kraftfulde pulserende acceleratorbaserede neutronkilde, VENUS vil være den eneste åbne platform for forskningsfaciliteter i USA, der kan levere neutron-billeddannelsesfunktioner til flyvninger til brugere fra den akademiske verden og industrien.

Neutroner spiller en vigtig rolle i vores forståelse af den materielle verden. Forskere bruger dem til at studere stofets struktur - fra bordpladen til atomskalaen - fordi neutroner er dybt trængende, bærer ingen gebyrer, og er ikke -destruktive, gør dem velegnede til studier, for eksempel, biologiske strukturer, metalspændinger og defekter, og magnetisk adfærd i kvantematerialer.

Generelt, som neutroner spredes, eller "hoppe" fra atomer i et materiale, de afslører oplysninger om et atoms placering og adfærd. Neutronbilleddannelse, på den anden side, foranstaltninger i transmission - når neutroner passerer gennem et materiale - for at producere et neutronradiograf, meget gerne en klinisk røntgen.

"Neutronbilleddannelse handler om kontrast - at se noget bag noget andet eller at se forskellen mellem den ene side af din prøve og den anden, "sagde ORNL -instrumentforsker Hassina Bilheux, en ledende udvikler i VENUS -projektet. "For eksempel, hvis du vil se lithium, mens det bevæger sig gennem batteriet, du har brug for kontrast for at isolere signalet fra lithiumioner. "

Opbygning af VENUS beamline ved SNS vil udnytte facilitetens acceleratorbaserede neutronkilde og levere avancerede billeddannelsesteknikker, der supplerer dem, der i øjeblikket er tilgængelige på laboratoriets steady-state neutronkilde, højfluxisotopreaktoren. SNS-pulskilde-acceleratoren muliggør time-of-flight teknik, som bruger tidsstemplede neutroner, der kan justeres og på forhånd vælges på tværs af en række energier. Teknikken giver den afstemmbare kontrast, der er nødvendig for at afsløre strukturel information med lavenergi-neutroner ved hjælp af en fremgangsmåde kaldet Bragg-edge imaging. Det præciserer også specifikke elementer i en prøve ved hjælp af højenergienutroner med resonansbilleddannelse for bedre at forstå materialets funktionelle egenskaber og adfærd.

"For eksempel, at skelne mellem visse tunge elementer som europium, tantal, gadolinium, og uran, man har brug for neutroner med højere energi, som SNS leverer, "sagde Bilheux." Måling med VENUS giver os tredimensionelle kort, der viser os, hvor et tungt element er placeret i en prøve, og vi kan skifte mellem forskellige tunge elementer. Denne kapacitet vil være utrolig fordelagtig ved at optimere effektiviteten af ​​nye nukleare materialer, hvilket er en høj prioritet for DOE. "

VENUS er på vej til at stå færdigt i 2022 og forventes at være klar til videnskabelige brugere i 2023. Strålelinjen vil sikre, at USA forbliver konkurrencedygtige med internationale spallationskilder, der allerede bygger eller i øjeblikket driver avancerede billedinstrumenter.

For at overholde 2023 -tidslinjen, udviklerne bruger en del af stråletiden på SNAP -diffraktometret til at udvikle billeddannelsessoftware og træne brugerfællesskabet forud for VENUSs lancering. Design af instrumentet og dets hovedkomponenter er også i gang.

"VENUS vil gøre os i stand til ikke kun at indsamle oplysninger om et materiales struktur, men også hvordan strukturen ændrer sig under påført belastning såsom varme eller tryk, "sagde Bilheux." Vi vil være i stand til at lave flere eksperimenter og få hurtigere resultater, alt sammen uden at skulle bruge flere billedbehandlingsinstrumenter. "

SNS er et DOE Office of Science User Facility. UT-Battelle LLC administrerer ORNL for DOE's Office of Science. US Department of Energy's Office of Science er den eneste største tilhænger af grundforskning inden for de fysiske videnskaber i USA og arbejder på at løse nogle af de mest presserende udfordringer i vores tid.