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ORNL為科學發現提供獨特的美國中子成像能力

直接查看材料原子結構的能力為加速設計和提高未來技術性能提供了關鍵信息。在現實空間中可視化材料的行為和動態需要強大的探針和先進的儀器。

VENUS是一種先進的中子成像儀器,已在能源部橡樹嶺國家實驗室的散裂中子源上開始施工。這種新儀器將提供一個平臺,用于實時研究各種環境下各種功能材料的構成和性能。

VENUS將受益于各種研究領域,包括能源相關材料的開發(如電池,核燃料,生物燃料); 先進的工程材料(如添加劑制造的合金,鋁和鋼,碳纖維,混凝土,玻璃); 研究考古和天然材料,提供對地質過程,生物學和植物生理學的見解。

與世界上最強大的基于脈沖加速器的中子源 SNS相結合,VENUS將成為美國唯一一個為學術界和工業用戶提供飛行時間中子成像功能的開放式研究設施平臺。

中子在我們對物質世界的理解中起著重要作用。科學家利用它們來研究物質的結構 - 從臺面到原子尺度 - 因為中子是深入穿透的,不帶電荷,并且是非破壞性的,使它們適合于研究,例如,生物結構,金屬應力和缺陷,以及量子材料中的磁性行為。

通常,當中子散射或“反彈”材料中的原子時,它們會顯示有關原子位置和行為的信息。另一方面,中子成像測量透射 - 當中子穿過材料時 - 產生中子射線照片,就像臨床X射線一樣。

實際數據圖像說明了核燃料中使用的重元素(左),添加制造材料中的晶體取向(DOE),工廠和生物系統中的氫傳輸,識別工程材料中的內部缺陷以及歷史工件的非破壞性分析之間的區別。圖片來源:ORNL / Jill Hemman

“中子成像是關于對比 - 看到其他東西背后的東西,或者看到樣品的一面與另一面之間的差異,”ORNL儀器科學家Hassina Bilheux說道,他是VENUS項目的首席開發人員。“例如,如果你想看到鋰電池正在通過電池,你需要對比來隔離來自鋰離子的信號。”

在SNS建造VENUS光束線將利用該設施的基于加速器的中子源,并提供先進的成像技術,補充目前實驗室穩態中子源High Flux Isotope Reactor的成像技術。SNS脈沖源加速器實現了飛行時間技術,該技術使用時間戳中子,可以在一系列能量范圍內進行調整和預選。該技術使用稱為布拉格邊緣成像的方法提供了用低能中子揭示結構信息所需的可調對比度。它還使用具有共振成像的高能中子來精確定位樣品中的特定元素,以更好地理解材料的功能特性和行為。

“例如,為了區分某些重元素,如銪,鉭,釓和鈾,人們需要更高能量的中子,這是SNS提供的,”Bilheux說。“使用VENUS測量將為我們提供三維地圖,向我們展示樣品中重元素的位置,并且我們將能夠在不同的重元素之間切換。這種能力將極大地有利于優化新核的效率材料,這是DOE的重中之重。“

VENUS有望在2022年完工,預計到2023年將為科學用戶做好準備。光束線將確保美國與已經建造或目前運行先進成像儀器的國際散裂源保持競爭力。

為了滿足2023年的時間表,開發人員正在SNAP衍射儀上使用一部分光束時間來開發成像軟件,并在VENUS發布之前培訓用戶社區。儀器及其主要部件的設計也在進行中。

“VENUS將使我們不僅可以收集有關材料結構的信息,還可以收集結構在施加載荷(如熱量或壓力)時的變化情況,”Bilheux說。“我們將能夠進行更多實驗并獲得更快的結果,而無需使用多種成像儀器。”

SNS是美國能源部科學用戶設施辦公室。UT-Battelle LLC為DOE的科學辦公室管理ORNL。美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大支持者,并正在努力解決我們時代的一些最緊迫的挑戰。

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