Det kan vara svårt att tro att bräcklig, ultratunna bitar av material som är lätta som en fjäder och ungefär lika stora som en tuggummi kan ha en enorm inverkan på tusentals neutronexperiment varje år. Men dessa specialiserade filmer, känd som diamantavdrivningsfolier, spela en imponerande roll på Oak Ridge National Laboratory's Spallation Neutron Source.

SNS, en Department of Energy Office of Science User Facility, kunde inte fungera utan folierna, som strippar elektroner i en process som resulterar i skapandet av en kraftfull protonpuls som används för att producera neutroner för materialvetenskaplig forskning.

Mike Plum, acceleratorfysikteamledare och ringområdeschef, förklarade foliens roll. Negativt laddade vätejoner, var och en innehåller en proton och två elektroner, färdas genom linjäracceleratorn. Folien tar bort elektroner från protonen, deponerar dem i en elektronsamlare. Den återstående protonstrålen rör sig in i ackumulatorringen och cirkulerar 1, 000 gånger medan nya protoner ansluter sig till klustret.

"Tänk dig att du har ett tåg som är 1, 000 lådbilar långa, " sa Plum. "Om du tar den första lådbilen och injicerar den i ringen, när den kommer tillbaka till startpunkten kommer den andra lådbilen in och åker ovanpå den, och så kommer den tredje in. Så, du har tagit ett tåg som är 1, 000 lådvagnar långa och förvandlade det till ett tåg som är en lådvagn långt men 1, 000 lådbilar höga."

När de snurrande protonerna genererar tillräckligt med kraft för optimal neutronspridning, lagringsringen släpper en intensiv protonpuls för att träffa SNS kvicksilvermål, vilket gör att neutroner "splittrar" av eller studsar åt alla håll. Den resulterande spallationen kan utnyttjas genom att kanalisera neutronerna till strålledare som leder till specialiserade instrument där forskare genomför experiment för att studera material.

Avisoleringsfolier tillåter SNS-personal att manipulera strålen för att minimera strålförlust som slösar bort värdefulla partiklar och hindrar den övergripande processen.

"Istället för att strålen är lång och tunn vill vi göra den kort och tät, " sade Plum. "Det enda praktiska sättet att göra det är att använda stripperfolier."

Eftersom folierna spelar en viktig roll i den dagliga verksamheten, en överlägsen produktdesign och en strömlinjeformad produktionsprocess är fundamentalt viktiga. Båda faktorerna kräver uppmärksamhet på detaljer och ett ständigt uppdaterat tillvägagångssätt, gör produktionen till en ständig läroupplevelse.

Tillverkning sker vid Nanofabrication Research Laboratory, eller NRL, en renrumsanläggning vid ORNL:s Center for Nanophase Materials Sciences. Fördelarna med denna plats inkluderar en närhet till SNS och mer avancerad utrustning, vilket leder till ökad folieproduktion.

"Dessa folier har unika filmegenskaper som ger dem ovanligt lång livslängd i relativt höga strålströmmar, två parametrar som är avgörande för en framgångsrik drift av SNS, sa Dayrl Briggs, NRL teknisk verksamhetsledare vid CNMS.

Trots foliens bräcklighet, de är kapabla att motstå intensiva jonstråleförhållanden. Varje enskild folie är mycket tunn, mäter cirka 1 mikrometer tjock. Om de var tjockare, protonstrålen skulle försvagas avsevärt när den passerade genom folien, vilket skulle komplicera processen.

"Stripperfolier är precis på gränsen till vad som är tekniskt möjligt, " Sa Plum. "De blir så varma och så upprörda av strålförhållandena att det är en riktig utmaning att få våra stripperfolier att hålla."

Dock, den ständiga störtfloden av jonpulser är inte det enda hotet mot användbarheten.

"Dessa folier är mycket känsliga för alla typer av luftrörelser eller mekaniska stötar, sa Chris Luck, som forskar, priser, och rekommenderar folier för användning på SNS. "Varje folie är unik, så jag studerar var och en för att se till att det inte finns några tårar eller andra brister."

Folieteamet hedrades nyligen med ett UT-Battelle-pris för den övergripande framgången med strävan och för sitt engagemang för att förbättra folieproduktion och prestanda. Deras moderniseringsprojekt för folieutveckling involverade logistiska förändringar som att skaffa ett kemiskt ångavsättningsverktyg för mikrovågor som specificerades, byggd, testad och installerad på NRL.

Teammedlemmar inkluderar Michael Baumgartner, Michael Plum, Chris Luck, och Jeremy Price från SNS och Dayrl Briggs, Dale Hensley, Kevin Lester, Scott Retterer, Bernadeta R. Srijanto, och Leslie Wilson från CNMS. Plum citerade också de avgörande bidragen från Robert Shaw från labbets Chemical Sciences Division, som ledde det ursprungliga folieproduktionsteamet.

Briggs vill att folier ska ha längre livslängd och bättre tillförlitlighet i framtiden. För att uppnå dessa mål, teamet kommer att behöva bättre förstå diamantfoliens struktur och prestanda. Vidare, han förklarade, teamet har kört tester för att säkerställa att nya folier kommer att vara enhetliga, använda befintliga filmer som baslinje för att öka effektiviteten.

"Förmågan att bearbeta två prover åt gången, förutom att fördubbla vår genomströmning, tillåter oss att installera ett prov i SNS neutronstrålen och att studera det andra som ett vittnesprov, "Sade Briggs. "Vi kan sedan korrelera prestanda i strålen till filmens egenskaper."

När teamet fortsätter att finslipa folietillverkningsprocessen på NRL, Plum förutser ytterligare förbättringar av folierna på grund av anläggningens stora tekniska kapacitet.

"De har några ganska avancerade verktyg på CNMS, ", sa Plum. "Vi kommer att använda dessa verktyg för att ta reda på hur vi kan göra våra stripperfolier ännu bättre."