Forskare och ingenjörer vid Spallation Neutron Source (SNS) gör framsteg i konstruktionen av VENUS, anläggningens nyaste instrument för att studera material på nya spännande sätt som för närvarande inte är möjliga för öppna forskningsprogram i USA.

Department of Energy (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) är hem för två världsledande forskningsanläggningar för neutronspridning, SNS och High Flux Isotope Reactor (HFIR). VENUS är ett toppmodernt bildinstrument som kommer att användas för att studera ett brett utbud av olika material som batterimaterial, avancerade legeringar, kärnmaterial, växtfysiologi, biologi, och till och med arkeologiska artefakter. Även om neutronavbildning inte är helt nytt, VENUS kommer att tillhandahålla tidsavbildningsfunktioner, aktiverad av SNS pulsad source accelerator, används för att samtidigt fånga information om strukturen och beteendet hos material i atomskala.

Neutroner är en väsentlig partikel i all materia. Sedan mitten av 1900-talet, forskare har utnyttjat sina egenskaper för att titta djupt in i material för att förstå atomerna inuti. Den information som erhållits har väglett och fortsätter att vägleda tekniska framsteg. I de flesta neutronspridningsexperiment, neutroner ger ett medelvärde för ett material för att bestämma atomstrukturen, atomrörelser, magnetisk ordning, och många fler egenskaper i genomsnitt över ett urval. En alternativ teknik är neutronavbildning, där betydande framsteg görs och genomförs på VENUS.

Medan de flesta neutronspridningstekniker bygger modeller av material på atomnivå baserat på hur neutroner "studsar" eller sprider atomer, IMAGING-instrumentet vid HFIR genererar bilder när neutroner passerar genom föremål. Bilderna kallas röntgenbilder, liknande kliniska röntgenstrålar, i vilken kontrast, eller hur neutroner absorberas eller avböjs av olika material, avslöjar objektens inre struktur.

I motsats till röntgenbilder, neutroner kan tränga djupt in i material som är gjorda av tunga element - som motorblock och turbinblad - och är känsliga för kärnorna snarare än de omgivande elektronmolnen. Det gör det möjligt för neutroner att upptäcka skillnaderna i nukleära isotoper och skilja mellan kemiskt likartade grundämnen.

"Neutroner kan också se lätta element i närvaro av tyngre. Till exempel, använder vår befintliga IMAGING-strållinje på HFIR, väteatomer kan isoleras eller belysas mot bakgrunden för att avslöja hur vatten färdas genom växtrötter, ", sa Hassina Bilheux, den ledande avbildningsinstrumentforskaren. "Samma teknik kan användas för industriella tillämpningar som avbildning av sotavlagring i en bils katalysator."

Utöver vad som är möjligt med HFIR:s IMAGING-strållinje – som använder en konstant eller konstant stråle av neutroner – kommer konstruktionen av VENUS vid SNS-acceleratorn med pulserande källor att möjliggöra avbildningsförmåga under flygning. Time-of-flight-tekniker använder det faktum att en neutrons hastighet beror på dess energi, och genom att mäta den tidpunkt då neutroner från källans skarpa neutronpulser anländer till bilddetektorn, forskare kan skilja på vad neutroner av olika energier ser. Därför, varje neutronbild kommer också att innehålla "spektroskopisk" information.

Den spektroskopiska tekniken ger forskare avbildningsförmåga som kompletterar dem vid HFIR, gör det möjligt att mäta kristallina egenskaper hos ett material eller identifiera vissa element i ett material. I den andan, VENUS kommer att ge betydande insikter i att optimera kärnbränslen genom att isolera och differentiera olika tunga grundämnen i ett bränsle som består av element som uran eller gadolinium, till exempel.

Banar väg

Den fysiska konstruktionen av strållinjen började 2019, och arbetet är på väg att börja driftsätta VENUS 2023.

Betydande installationsarbete utfördes medan SNS låg nere under en utökad planerad underhållscykel från mitten av februari till början av april. Dessa nyligen avslutade aktiviteter har fokuserat på att gjuta betong och installera tunga stålkomponenter, Till exempel

• Chopperhyllor:Två lager betong hälldes, höjer golvet för att ge en hylla för hackarna – de stora metallskivorna som roterar 3, 600 gånger i minuten med definierade öppningar för att välja neutroner med specifika hastigheter och därmed skapa neutronpulser med önskat energiområde.

• Bulk -skärminsats:Bulkskärminsatsen är en rostfri låda - bultad mot den tjocka betongväggen som skiljer instrumenthallen från det flytande kvicksilvermålet - som tillhandahåller en monteringsfäste för installation av annan utrustning, såsom hackaren, strålslutaren, och neutronflygröret – linjeneutronerna färdas från källan till instrumentet.

• Chopper cavity shielding:A 8, 000-pund stålram installerad runt bulksköldinsatsen ger stöd till hackaren och annan utrustning, samt stöd för "roll-in shielding blocks" som senare kommer att installeras.

"Vi hade en mycket framgångsrik första installationsperiod för VENUS, och vi slutförde alla planerade aktiviteter under våravbrottet, " sa ledande instrumentingenjör Tommy Thomasson. "Under de närmaste månaderna, Designarbetet kommer att fortsätta med de skärmande och neutronoptiska komponenterna."

Arbetet går också framåt med att anskaffa ytterligare skärmning, tre hackare, och optisk utrustning med variabel öppning. Installationsaktiviteter för nästa avbrott från mitten av juli till mitten av augusti inkluderar modifieringar av skärmningen på intilliggande strållinje POWGEN, samt installation av de första VENUS inbäddade plattorna. Inbäddningsplattorna är 2 tum tjocka stålplattor installerade ovanför och under längden på flygröret. De nedre plattorna kommer att ge en stabil plattform för att fästa optiska enheter, och de övre plattorna kommer att ge en solid yta för de fem 18-tons roll-in skärmblock som används för strålningsinneslutning.

"Det är viktigt att vi maximerar antalet tillgängliga instrument på SNS för våra forskare så att vi kan påskynda vetenskapliga upptäckter, " sa Neutron Scattering Division direktör Hans Christen. "Det som är särskilt spännande är att VENUS tar med ett helt annat sätt att använda neutroner till SNS, vilket både våra akademiska och branschbaserade användargrupper har efterfrågat."