VENUS-konstruktion på vej til ORNLs nyeste neutron-billeddannelsesinstrument

Forskere og ingeniører ved Spallation Neutron Source (SNS) gør fremskridt med konstruktionen af ​​VENUS, anlæggets nyeste instrument til at studere materialer på spændende nye måder, som i øjeblikket ikke er mulige for åbne forskningsprogrammer i USA.

Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) er hjemsted for to verdensførende neutronspredningsforskningsfaciliteter, SNS og High Flux Isotope Reactor (HFIR). VENUS er et avanceret billedinstrument, der vil blive brugt til at studere en lang række forskellige materialer såsom batterimaterialer, avancerede legeringer, nukleare materialer, plantefysiologi, biologi, og endda arkæologiske artefakter. Selvom neutronbilleddannelse ikke er helt nyt, VENUS vil give time-of-flight billedbehandlingsfunktioner, aktiveret af SNS pulserende kildeaccelerator, bruges til samtidig at opfange information om materialers struktur og adfærd på atomær skala.

Neutroner er en væsentlig partikel af alt stof. Siden midten af ​​1900-tallet, forskere har udnyttet deres egenskaber for at kigge dybt ind i materialer for at forstå atomerne indeni. Den opnåede information har vejledt og vejleder fortsat teknologiske fremskridt. I de fleste neutronspredningsforsøg, neutroner giver en gennemsnitlig måling af et materiale for at bestemme atomstrukturen, atomare bevægelser, magnetisk orden, og mange flere egenskaber i gennemsnit på tværs af en prøve. En alternativ teknik er neutronbilleddannelse, hvor der gøres betydelige fremskridt og implementeres på VENUS.

Mens de fleste neutronspredningsteknikker bygger modeller af materialer på atomniveau baseret på, hvordan neutroner "studser" eller spreder atomer, IMAGING -instrumentet på HFIR genererer billeder, når neutroner passerer genstande. Billederne kaldes røntgenbilleder, svarende til klinisk røntgenstråler, i hvilken kontrast, eller hvordan neutroner absorberes eller afbøjes af forskellige materialer, afslører den indre struktur af objekter.

I modsætning til røntgenbilleder, neutroner kan trænge dybt ind i materialer lavet af tunge grundstoffer – såsom motorblokke og turbineblade – og er følsomme over for kernerne frem for de omgivende elektronskyer. Det gør det muligt for neutroner at opdage forskellene i nukleare isotoper og skelne mellem kemisk lignende grundstoffer.

"Neutroner kan også se lette elementer i nærværelse af tungere. F.eks. ved at bruge vores eksisterende IMAGING beamline på HFIR, brintatomer kan isoleres eller belyses mod baggrunden for at afsløre, hvordan vand bevæger sig gennem planterødder, " sagde den ledende billeddannende instrumentforsker Hassina Bilheux. "Den samme teknik kan bruges til industrielle applikationer såsom billeddannelse af sodaflejring i en bils katalysator."

Går ud over, hvad der er muligt med HFIR's IMAGING beamline - der bruger en steady-state eller konstant stråle af neutroner - konstruktionen af ​​VENUS ved SNS pulsed-source acceleratoren vil muliggøre time-of-flight billeddannelsesmuligheder. Time-of-flight teknikker bruger det faktum, at en neutrons hastighed afhænger af dens energi, og ved at måle det tidspunkt, hvor neutroner fra kildens skarpe neutronimpulser ankommer til billeddetektoren, forskere kan skelne mellem, hvad neutroner af forskellige energier ser. Derfor, hvert neutronbillede vil også indeholde "spektroskopisk" information.

Den spektroskopiske teknik giver forskere billeddannelsesfunktioner, der supplerer dem på HFIR, gør det muligt at måle et materiales krystallinske egenskaber eller identificere bestemte elementer i et materiale. På den måde, VENUS vil give væsentlig indsigt i optimering af atombrændstoffer ved at isolere og differentiere forskellige tunge elementer i et brændstof sammensat af elementer som uran eller gadolinium, for eksempel.

Baner vejen

Fysisk konstruktion af beamline begyndte i 2019, og arbejdet er på vej til at starte idriftsættelsen af ​​VENUS i 2023.

Et betydeligt installationsarbejde blev udført, mens SNS var nede i en forlænget planlagt vedligeholdelsescyklus fra midten af ​​februar til begyndelsen af ​​april. Disse nyligt afsluttede aktiviteter har fokuseret på at hælde beton og installere tunge stålkomponenter, såsom

• Chopperhylder:To lag beton blev hældt, hæve gulvet for at give en hylde til helikopterne - de store metalskiver, der roterer 3, 600 gange i minuttet med definerede åbninger til at vælge neutroner med specifikke hastigheder og dermed skabe impulser af neutroner med det ønskede energiområde.

• Bulk skjold indsats:Bulk skjold indsatsen er en rustfri stål boks – boltet til den tykke betonvæg, der adskiller instrumenthallen fra flydende kviksølv målet – som giver et monteringsbeslag til installation af andet udstyr såsom chopper, strålelukkeren, og neutronflyverøret - linjeneutronerne rejser fra kilden til instrumentet.

• Chopper hulrum afskærmning:En 8, 000 pund stålramme installeret omkring bulkskjoldindsatsen giver støtte til helikopteret og andet udstyr, samt understøttelse af "roll-in shielding blocks", der senere monteres.

"Vi havde en meget vellykket første installationsperiode for VENUS, og vi gennemførte alle de planlagte aktiviteter i løbet af forårsafbrydelsen, " sagde den ledende instrumentingeniør Tommy Thomasson. "I løbet af de næste par måneder, Designarbejdet vil fortsætte med de afskærmende og neutronoptiske komponenter."

Der arbejdes også fremad med indkøb af yderligere afskærmning, tre hakkere, og optisk udstyr med variabel blænde. Installationsaktiviteter for det næste udfald fra midten af ​​juli til midten af ​​august omfatter ændringer af afskærmningen på den tilstødende beamline POWGEN, samt montering af de første VENUS indstøbte plader. De indstøbte plader er 2-tommer tykke stålplader installeret over og under længden af ​​flyverøret. De nederste plader vil give en stabil platform til fastgørelse af optiske enheder, og de øverste plader vil give en solid overflade til de fem 18 tons roll-in afskærmningsblokke, der bruges til strålingsinddæmning.

"Det er vigtigt, at vi maksimerer antallet af tilgængelige instrumenter på SNS for vores forskere, så vi kan fremskynde videnskabelige opdagelser, " sagde Neutron Scattering Division-direktør Hans Christen. "Det, der er særligt spændende er, at VENUS bringer en helt anden måde at bruge neutroner på til SNS, som både vores akademiske og branchebaserede brugerfællesskaber har efterspurgt."