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ORNL为科学发现提供独特的美国中子成像能力

直接查看材料原子结构的能力为加速设计和提高未来技术性能提供了关键信息。在现实空间中可视化材料的行为和动态需要强大的探针和先进的仪器。

VENUS是一种先进的中子成像仪器,已在能源部橡树岭国家实验室的散裂中子源上开始施工。这种新仪器将提供一个平台,用于实时研究各种环境下各种功能材料的构成和性能。

VENUS将受益于各种研究领域,包括能源相关材料的开发(如电池,核燃料,生物燃料); 先进的工程材料(如添加剂制造的合金,铝和钢,碳纤维,混凝土,玻璃); 研究考古和天然材料,提供对地质过程,生物学和植物生理学的见解。

与世界上最强大的基于脉冲加速器的中子源 SNS相结合,VENUS将成为美国唯一一个为学术界和工业用户提供飞行时间中子成像功能的开放式研究设施平台。

中子在我们对物质世界的理解中起着重要作用。科学家利用它们来研究物质的结构 - 从台面到原子尺度 - 因为中子是深入穿透的,不带电荷,并且是非破坏性的,使它们适合于研究,例如,生物结构,金属应力和缺陷,以及量子材料中的磁性行为。

通常,当中子散射或“反弹”材料中的原子时,它们会显示有关原子位置和行为的信息。另一方面,中子成像测量透射 - 当中子穿过材料时 - 产生中子射线照片,就像临床X射线一样。

实际数据图像说明了核燃料中使用的重元素(左),添加制造材料中的晶体取向(DOE),工厂和生物系统中的氢传输,识别工程材料中的内部缺陷以及历史工件的非破坏性分析之间的区别。图片来源:ORNL / Jill Hemman

“中子成像是关于对比 - 看到其他东西背后的东西,或者看到样品的一面与另一面之间的差异,”ORNL仪器科学家Hassina Bilheux说道,他是VENUS项目的首席开发人员。“例如,如果你想看到锂电池正在通过电池,你需要对比来隔离来自锂离子的信号。”

在SNS建造VENUS光束线将利用该设施的基于加速器的中子源,并提供先进的成像技术,补充目前实验室稳态中子源High Flux Isotope Reactor的成像技术。SNS脉冲源加速器实现了飞行时间技术,该技术使用时间戳中子,可以在一系列能量范围内进行调整和预选。该技术使用称为布拉格边缘成像的方法提供了用低能中子揭示结构信息所需的可调对比度。它还使用具有共振成像的高能中子来精确定位样品中的特定元素,以更好地理解材料的功能特性和行为。

“例如,为了区分某些重元素,如铕,钽,钆和铀,人们需要更高能量的中子,这是SNS提供的,”Bilheux说。“使用VENUS测量将为我们提供三维地图,向我们展示样品中重元素的位置,并且我们将能够在不同的重元素之间切换。这种能力将极大地有利于优化新核的效率材料,这是DOE的重中之重。“

VENUS有望在2022年完工,预计到2023年将为科学用户做好准备。光束线将确保美国与已经建造或目前运行先进成像仪器的国际散裂源保持竞争力。

为了满足2023年的时间表,开发人员正在SNAP衍射仪上使用一部分光束时间来开发成像软件,并在VENUS发布之前培训用户社区。仪器及其主要部件的设计也在进行中。

“VENUS将使我们不仅可以收集有关材料结构的信息,还可以收集结构在施加载荷(如热量或压力)时的变化情况,”Bilheux说。“我们将能够进行更多实验并获得更快的结果,而无需使用多种成像仪器。”

SNS是美国能源部科学用户设施办公室。UT-Battelle LLC为DOE的科学办公室管理ORNL。美国能源部的科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者,并正在努力解决我们时代的一些最紧迫的挑战。

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