Möjligheten att direkt se atomväven i material ger avgörande information för att påskynda designen och förbättra prestanda för framtida teknik. Att visualisera materialets beteende och dynamik i verkliga rymden kräver kraftfulla sonder och avancerad instrumentering.

Byggandet har påbörjats på VENUS, ett toppmodern neutronavbildningsinstrument, vid Spallation Neutron Source vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory. Detta nya instrument kommer att ge en plattform för att i realtid studera smink och prestanda för ett brett utbud av funktionella material under varierande miljöer.

VENUS kommer att gynna olika forskningsområden, inklusive utveckling av energirelaterade material (t.ex. batterier, kärnbränslen, biobränslen); avancerade tekniska material (t.ex. additivt tillverkade legeringar, aluminium och stål, kolfibrer, betong, glas); och studier av arkeologiska och naturmaterial, ge insikter i geologiska processer, biologi och växtfysiologi.

Tillsammans med SNS, världens mest kraftfulla pulserande acceleratorbaserade neutronkälla, VENUS kommer att vara den enda öppna forskningsplattformen i USA som tillhandahåller funktioner för neutronavbildning vid tidpunkten för flyg från användare från akademin och industrin.

Neutroner spelar en viktig roll i vår förståelse av den materiella världen. Forskare använder dem för att studera materiens struktur - från bänkskivan till atomskalan - eftersom neutroner tränger djupt igenom, bär ingen kostnad, och är oförstörande, gör dem lämpliga för studier, till exempel, biologiska strukturer, metallspänningar och defekter, och magnetiskt beteende i kvantmaterial.

I allmänhet, när neutroner sprids, eller "studsa" av atomer i ett material, de avslöjar information om en atoms plats och beteende. Neutronbildning, å andra sidan, åtgärder vid överföring - när neutroner passerar genom ett material - för att producera en neutronradiograf, ungefär som en klinisk röntgen.

"Neutronbildning handlar om kontrast - att se något bakom något annat eller se skillnaden mellan en sida av ditt prov och den andra, "sa ORNL -instrumentforskaren Hassina Bilheux, en ledande utvecklare i VENUS -projektet. "Till exempel, om du vill se litium när det rör sig genom batteriet, du behöver kontrast för att isolera signalen från litiumjoner. "

Att bygga VENUS-strållinjen vid SNS kommer att utnyttja anläggningens acceleratorbaserade neutronkälla och tillhandahålla avancerade bildtekniker som kompletterar de som för närvarande finns tillgängliga på laboratoriets neutronkälla i stationärt tillstånd, högflödesisotopreaktorn. SNS pulserande källaccelerator möjliggör time-of-flight-teknik, som använder tidsstämplade neutroner som kan justeras och förvalas över en rad energier. Tekniken ger den avstämbara kontrasten som är nödvändig för att avslöja strukturinformation med lågenergin neutroner med en metod som kallas Bragg-edge imaging. Det identifierar också specifika element i ett prov med hjälp av högenergin neutroner med resonansavbildning för att bättre förstå materialets funktionella egenskaper och beteenden.

"Till exempel, för att skilja mellan vissa tunga element som europium, tantal, gadolinium, och uran, man behöver neutroner med högre energi, som SNS tillhandahåller, "sa Bilheux." Mätning med VENUS ger oss tredimensionella kartor som visar oss var ett tungt element finns i ett prov, och vi kommer att kunna växla mellan olika tunga element. Den förmågan kommer att vara oerhört fördelaktig för att optimera effektiviteten hos nya kärnmaterial, vilket är hög prioritet för DOE. "

VENUS är på väg att stå klart 2022 och förväntas vara klart för vetenskapliga användare 2023. Strållinjen kommer att säkerställa att USA förblir konkurrenskraftigt med internationella spallationskällor som redan bygger eller för närvarande driver avancerade bildinstrument.

För att uppfylla tidslinjen 2023, utvecklarna använder en del av stråltiden på SNAP -diffraktometern för att utveckla bildprogramvara och utbilda användargemenskapen inför VENUS lansering. Utformningen av instrumentet och dess huvudkomponenter pågår också.

"VENUS kommer att göra det möjligt för oss att inte bara samla information om ett materials struktur utan också hur strukturen förändras under belastning som värme eller tryck, "sa Bilheux." Vi kommer att kunna göra fler experiment och få snabbare resultat, allt utan att behöva använda flera bildinstrument. "

SNS är en DOE Office of Science User Facility. UT-Battelle LLC hanterar ORNL för DOE's Office of Science. U.S. Department of Energy's Office of Science är den enskilt största anhängaren av grundforskning inom fysik i USA och arbetar med att ta itu med några av vår tids mest utmanande utmaningar.