Può essere difficile credere che fragile, pezzi di materiale ultrasottili, leggeri come una piuma e delle dimensioni di un bastoncino di gomma, potrebbero avere un impatto enorme su migliaia di esperimenti sui neutroni ogni anno. Ma questi film specializzati, conosciuti come fogli di spogliarellista diamantati, svolgono un ruolo impressionante alla Spallation Neutron Source dell'Oak Ridge National Laboratory.

Il SNS, una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'energia, non potrebbe funzionare senza le lamine, che spogliano gli elettroni in un processo che porta alla creazione di un potente impulso protonico utilizzato per produrre neutroni per la ricerca scientifica dei materiali.

Mike Plum, leader del team di fisica dell'acceleratore e responsabile dell'area dell'anello, spiegato il ruolo del fioretto. Ioni di idrogeno a carica negativa, ciascuno contenente un protone e due elettroni, viaggiare attraverso l'acceleratore lineare. La lamina strappa gli elettroni dal protone, depositandoli in un collettore di elettroni. Il restante raggio di protoni si sposta nell'anello dell'accumulatore e circola 1, 000 volte mentre nuovi protoni si uniscono al cluster.

"Immagina di avere un treno che fa 1, 000 vagoni merci lunghi, " disse Plum. "Se prendi il primo vagone merci e lo inietti nel ring, quando torna al punto di partenza entra il secondo vagone merci e ci sale sopra, e poi arriva il terzo. Quindi, hai preso un treno che è 1, 000 vagoni merci e l'ha trasformato in un treno lungo un vagone ma 1, 000 vagoni merci alti."

Una volta che i protoni rotanti generano energia sufficiente per una diffusione ottimale dei neutroni, l'anello di accumulo rilascia un intenso impulso protonico per colpire il bersaglio di mercurio di SNS, facendo sì che i neutroni si "spezzino" o rimbalzino in ogni direzione. La spallazione risultante può essere imbrigliata incanalando i neutroni nelle guide del raggio che portano a strumenti specializzati in cui i ricercatori conducono esperimenti per studiare i materiali.

Le pellicole stripper consentono al personale SNS di manipolare il raggio per ridurre al minimo la perdita del raggio che spreca particelle preziose e ostacola il processo complessivo.

"Invece che il raggio sia lungo e sottile, vogliamo renderlo corto e denso, " Plum ha detto. "L'unico modo pratico per farlo è quello di utilizzare lamine spogliarelliste."

Poiché le lamine svolgono un ruolo essenziale nelle operazioni quotidiane, un design del prodotto superiore e un processo di produzione snello sono di fondamentale importanza. Entrambi i fattori richiedono attenzione ai dettagli e un approccio continuamente aggiornato, rendere la produzione un'esperienza di apprendimento costante.

La produzione avviene presso il Laboratorio di ricerca sulla nanofabbricazione, o NRL, una struttura in camera bianca presso il Center for Nanophase Materials Sciences dell'ORNL. I vantaggi di questa posizione includono una vicinanza al SNS e attrezzature più avanzate, portando ad un aumento della produzione di fogli.

"Questi fogli hanno caratteristiche uniche del film che conferiscono loro una durata insolitamente lunga in correnti di raggio relativamente elevate, due parametri critici per il buon funzionamento di SNS, " ha detto Dayrl Briggs, Le operazioni tecniche della NRL sono guidate da CNMS.

Nonostante la fragilità delle lamine, sono in grado di resistere a condizioni di fascio ionico intenso. Ogni singolo foglio è molto sottile, misura circa 1 micrometro di spessore. Se fossero più spessi, il fascio di protoni sarebbe significativamente indebolito passando attraverso la lamina, che complicherebbe il processo.

"Le pellicole stripper sono proprio al limite di ciò che è tecnologicamente possibile, " Disse Plum. "Si surriscaldano così tanto e sono così battuti dalle condizioni del raggio che è una vera sfida far durare i nostri fogli di spogliarellista".

Però, il continuo sbarramento di impulsi ionici non è l'unica minaccia a ostacolare l'usabilità.

"Queste pellicole sono molto sensibili a qualsiasi tipo di movimento dell'aria o shock meccanico, " ha detto Chris Fortuna, chi ricerca, aliquote, e raccomanda le pellicole per l'uso presso SNS. "Ogni fioretto è unico, quindi studio ognuno per assicurarmi che non ci siano lacrime o altre imperfezioni."

Il team del foil è stato recentemente insignito del premio UT-Battelle per il successo complessivo dell'impresa e per il suo impegno nel migliorare la produzione e le prestazioni del foil. Il loro progetto di modernizzazione dello sviluppo della pellicola ha comportato modifiche logistiche come l'ottenimento di uno strumento di deposizione di vapore chimico a microonde che è stato specificato, costruito, testato e installato presso NRL.

I membri del team includono Michael Baumgartner, Michele Prugna, Chris fortuna, e Jeremy Price di SNS e Dayrl Briggs, Dale Hensley, Kevin Lester, Scott Retterer, Bernadeta R. Srijanto, e Leslie Wilson di CNMS. Plum ha anche citato i contributi cruciali di Robert Shaw della divisione di scienze chimiche del laboratorio, che ha guidato il team di produzione della pellicola originale.

Briggs vuole che le lamine abbiano una durata maggiore e una migliore affidabilità in futuro. Per raggiungere questi obiettivi, il team dovrà comprendere meglio la struttura e le prestazioni della lamina diamantata. Per di più, Lui ha spiegato, il team ha eseguito dei test per garantire che i nuovi foil siano uniformi, utilizzando i film esistenti come base per aumentare l'efficienza.

"La capacità di elaborare due campioni alla volta, oltre a raddoppiare il nostro throughput, ci permette di installare un campione nel fascio di neutroni SNS e di studiare l'altro come campione testimone, " ha detto Briggs. "Possiamo quindi correlare le prestazioni nel raggio alle caratteristiche del film".

Mentre il team continua a perfezionare il processo di produzione della pellicola presso NRL, Plum prevede ulteriori miglioramenti nelle lamine grazie alle vaste capacità tecnologiche della struttura.

"Hanno alcuni strumenti piuttosto avanzati al CNMS, " ha detto Plum. "Utilizzeremo quegli strumenti per capire come rendere ancora migliori le nostre pellicole per spogliarelliste".