Ricercatori e ingegneri della Spallation Neutron Source (SNS) stanno facendo progressi nella costruzione di VENUS, il nuovo strumento della struttura per studiare i materiali in modi nuovi ed entusiasmanti che attualmente non sono possibili per i programmi di ricerca aperti negli Stati Uniti.

L'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia (DOE) ospita due strutture di ricerca sulla diffusione di neutroni leader a livello mondiale, SNS e il reattore isotopico ad alto flusso (HFIR). VENUS è uno strumento di imaging all'avanguardia che verrà utilizzato per studiare un'ampia gamma di materiali diversi come i materiali delle batterie, leghe avanzate, materiali nucleari, fisiologia vegetale, biologia, e persino reperti archeologici. Sebbene l'imaging a neutroni non sia completamente nuovo, VENUS fornirà funzionalità di imaging del tempo di volo, abilitato dall'acceleratore a sorgente pulsata SNS, utilizzato per acquisire contemporaneamente informazioni sulla struttura e sul comportamento dei materiali su scala atomica.

I neutroni sono una particella essenziale di tutta la materia. Dalla metà del 1900, gli scienziati hanno sfruttato le loro proprietà per scrutare in profondità i materiali per comprendere gli atomi all'interno. Le informazioni ottenute hanno guidato e continuano a guidare i progressi tecnologici. Nella maggior parte degli esperimenti di diffusione di neutroni, i neutroni forniscono una misurazione media di un materiale per determinare la struttura atomica, moti atomici, ordine magnetico, e molte altre proprietà mediate su un campione. Una tecnica alternativa è l'imaging di neutroni, dove vengono fatti e implementati progressi significativi su VENUS.

Considerando che la maggior parte delle tecniche di diffusione dei neutroni costruisce modelli di materiali a livello atomico basati su come i neutroni "rimbalzano" o si disperdono sugli atomi, lo strumento IMAGING a HFIR genera immagini mentre i neutroni passano attraverso gli oggetti. Le immagini si chiamano radiografie, simile ai raggi X clinici, in quale contrasto, o come i neutroni vengono assorbiti o deviati da materiali diversi, rivela la struttura interna degli oggetti.

A differenza dell'imaging a raggi X, i neutroni possono penetrare in profondità nei materiali costituiti da elementi pesanti, come i blocchi motore e le pale delle turbine, e sono sensibili ai nuclei piuttosto che alle nuvole di elettroni circostanti. Ciò consente ai neutroni di rilevare le differenze negli isotopi nucleari e di distinguere tra elementi chimicamente simili.

"I neutroni possono anche vedere gli elementi leggeri in presenza di quelli più pesanti. Ad esempio, utilizzando la nostra linea di luce IMAGING esistente presso HFIR, gli atomi di idrogeno possono essere isolati o illuminati sullo sfondo per rivelare come l'acqua viaggia attraverso le radici delle piante, ", ha affermato Hassina Bilheux, scienziata leader nello strumento di imaging. "La stessa tecnica può essere utilizzata per applicazioni industriali come la deposizione di fuliggine nel convertitore catalitico di un'automobile".

Andando oltre ciò che è possibile con la linea di luce IMAGING di HFIR, che utilizza un raggio di neutroni stazionario o costante, la costruzione di VENUS presso l'acceleratore a sorgente pulsata SNS consentirà capacità di imaging del tempo di volo. Le tecniche del tempo di volo sfruttano il fatto che la velocità di un neutrone dipende dalla sua energia, e misurando il tempo in cui i neutroni provenienti dagli impulsi di neutroni acuti della sorgente arrivano al rivelatore di immagini, i ricercatori possono differenziare ciò che vedono i neutroni di diverse energie. Perciò, ogni immagine di neutroni conterrà anche informazioni "spettroscopiche".

La tecnica spettroscopica fornisce ai ricercatori capacità di imaging complementari a quelle dell'HFIR, rendendo possibile misurare le proprietà cristalline di un materiale o identificare determinati elementi all'interno di un materiale. In quel filone, VENUS fornirà approfondimenti significativi sull'ottimizzazione dei combustibili nucleari isolando e differenziando vari elementi pesanti in un combustibile composto da elementi come l'uranio o il gadolinio, Per esempio.

Aprendo la strada

La costruzione fisica della linea di luce è iniziata nel 2019, e il lavoro è sulla buona strada per iniziare a commissionare VENUS nel 2023.

Sono stati eseguiti significativi lavori di installazione mentre SNS era inattivo per un ciclo di manutenzione programmata esteso da metà febbraio all'inizio di aprile. Queste attività recentemente completate si sono concentrate sul getto di calcestruzzo e sull'installazione di componenti pesanti in acciaio, come

• Ripiani tritatutto:sono stati versati due strati di cemento, alzando il pavimento per fornire un ripiano per i tritatutto:i grandi dischi di metallo che ruotano di 3, 600 volte al minuto con aperture definite per selezionare neutroni di velocità specifiche e quindi creare impulsi di neutroni con la gamma di energie desiderata.

• Inserto di schermatura:l'inserto di schermatura è una scatola in acciaio inossidabile, imbullonata alla spessa parete di cemento che separa la sala strumenti dal bersaglio di mercurio liquido, che fornisce una staffa di montaggio per l'installazione di altre apparecchiature come l'elicottero, l'otturatore a travi, e il tubo di volo dei neutroni:i neutroni della linea viaggiano dalla sorgente allo strumento.

• Schermatura cavità chopper:An 8, Il telaio in acciaio da 000 libbre installato attorno all'inserto dello scudo sfuso fornisce supporto all'elicottero e ad altre attrezzature, così come il supporto per "blocchi di schermatura roll-in" che verranno successivamente installati.

"Abbiamo avuto un primo periodo di installazione di grande successo per VENUS, e abbiamo completato tutte le attività programmate durante l'interruzione primaverile, ", ha affermato l'ingegnere capo degli strumenti Tommy Thomasson. "Nei prossimi mesi, il lavoro di progettazione continuerà sui componenti ottici di schermatura e neutroni."

Proseguono anche i lavori per l'acquisizione di schermature aggiuntive, tre elicotteri, e apparecchiature ottiche ad apertura variabile. Le attività di installazione per la prossima interruzione da metà luglio a metà agosto includono modifiche alla schermatura sulla vicina linea di luce POWGEN, nonché l'installazione delle prime placche da incasso VENUS. Le piastre da incasso sono piastre d'acciaio spesse 2 pollici installate sopra e sotto la lunghezza del tubo di volo. Le piastre inferiori forniranno una piattaforma stabile per il fissaggio di dispositivi ottici, e le piastre superiori forniranno una superficie solida per i cinque blocchi di schermatura roll-in da 18 tonnellate utilizzati per il contenimento delle radiazioni.

"È importante massimizzare il numero di strumenti disponibili presso il SNS per i nostri ricercatori in modo da poter accelerare le scoperte scientifiche, ", ha affermato il direttore della Neutron Scattering Division Hans Christen. "Ciò che è particolarmente eccitante è che VENUS porta un modo completamente diverso di usare i neutroni nel SNS, che le nostre comunità di utenti accademici e di settore hanno richiesto."