Puede ser difícil de creer que frágil, piezas ultradelgadas de material tan ligeras como una pluma y del tamaño de una barra de goma de mascar podrían tener un impacto enorme en miles de experimentos de neutrones cada año. Pero estas películas especializadas, conocidas como láminas decapantes de diamantes, desempeñan un papel impresionante en la fuente de neutrones de espalación del Laboratorio Nacional Oak Ridge.

El SNS, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, no podría funcionar sin las láminas, que eliminan electrones en un proceso que da como resultado la creación de un poderoso pulso de protones que se utiliza para producir neutrones para la investigación de la ciencia de los materiales.

Mike Ciruela, líder del equipo de física del acelerador y gerente de área de anillo, explicó el papel del florete. Iones de hidrógeno cargados negativamente, cada uno contiene un protón y dos electrones, viajar a través del acelerador lineal. La lámina separa los electrones del protón, depositándolos en un colector de electrones. El haz de protones restante se mueve hacia el anillo acumulador y circula 1, 000 veces mientras nuevos protones se unen al cúmulo.

"Imagina que tienes un tren que es 1, 000 furgones de largo, "Dijo Plum." Si tomas el primer vagón y lo inyectas en el ring, en el momento en que regresa al punto de partida, el segundo vagón entra y se coloca encima de él, y luego entra el tercero. Entonces, has tomado un tren que es 1, 000 vagones de largo y lo transformó en un tren de un vagón de largo pero 1, 000 furgones de altura ".

Una vez que los protones giratorios generan suficiente energía para una óptima dispersión de neutrones, el anillo de almacenamiento libera un intenso pulso de protones para golpear el objetivo de mercurio de SNS, provocando que los neutrones se "descascarillen" o reboten en todas direcciones. La espalación resultante puede aprovecharse canalizando los neutrones en guías de haz que conducen a instrumentos especializados donde los investigadores realizan experimentos para estudiar materiales.

Las láminas decapantes permiten al personal de SNS manipular el rayo para minimizar la pérdida del rayo que desperdicia partículas valiosas y dificulta el proceso en general.

"En lugar de que la viga sea larga y delgada, queremos que sea corta y densa, "Dijo Plum." La única forma práctica de hacerlo es usar láminas decapantes ".

Debido a que las láminas juegan un papel esencial en las operaciones diarias, un diseño de producto superior y un proceso de producción optimizado son de fundamental importancia. Ambos factores requieren atención al detalle y un enfoque continuamente actualizado, haciendo de la producción una experiencia de aprendizaje constante.

La fabricación se lleva a cabo en el Laboratorio de Investigación de Nanofabricación, o NRL, una instalación de sala limpia en el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos de ORNL. Los beneficios de esta ubicación incluyen una proximidad cercana al SNS y equipos más avanzados, lo que conduce a un aumento de la producción de láminas.

"Estas láminas tienen características de película únicas que les dan una vida útil inusualmente larga en corrientes de haz relativamente altas, dos parámetros críticos para el buen funcionamiento del SNS, "dijo Dayrl Briggs, Líder de operaciones técnicas de NRL en CNMS.

A pesar de la fragilidad de las láminas, son capaces de soportar condiciones intensas de haz de iones. Cada hoja individual es muy fina, midiendo aproximadamente 1 micrómetro de espesor. Si fueran más gruesos, el haz de protones se debilitaría significativamente al pasar a través de la lámina, lo que complicaría el proceso.

"Las láminas decapantes están al borde de lo que es tecnológicamente posible, "Dijo Plum." Se calientan tanto y se golpean tanto por las condiciones de la viga que es un verdadero desafío hacer que nuestras láminas decapantes duren ".

Sin embargo, el aluvión continuo de pulsos de iones no es la única amenaza para frustrar la usabilidad.

"Estas láminas son muy sensibles a cualquier tipo de movimiento de aire o choque mecánico, "dijo Chris Luck, quien investiga, tarifas, y recomienda láminas para su uso en SNS. "Cada lámina es única, así que estudio cada uno para asegurarme de que no haya lágrimas ni otras imperfecciones ".

El equipo de láminas fue honrado recientemente con un premio UT-Battelle por el éxito general del esfuerzo y por su compromiso de mejorar la producción y el rendimiento de láminas. Su proyecto de modernización del desarrollo de láminas involucró cambios logísticos como la obtención de una herramienta de deposición de vapor químico por microondas que se especificó, construido, probado e instalado en NRL.

Los miembros del equipo incluyen a Michael Baumgartner, Michael Ciruela, Chris Luck, y Jeremy Price de SNS y Dayrl Briggs, Dale Hensley, Kevin Lester, Scott Retterer, Bernadeta R. Srijanto, y Leslie Wilson de CNMS. Plum también citó las contribuciones cruciales de Robert Shaw de la División de Ciencias Químicas del laboratorio, que dirigió el equipo de producción de láminas original.

Briggs quiere que las láminas tengan una vida útil más larga y una mayor confiabilidad en el futuro. Para lograr estos objetivos, el equipo deberá comprender mejor la estructura y el rendimiento de la lámina de diamante. Es más, él explicó, el equipo ha realizado pruebas para garantizar que las nuevas láminas sean uniformes, utilizando películas existentes como base para aumentar la eficiencia.

"La capacidad de procesar dos muestras a la vez, además de duplicar nuestro rendimiento, nos permite instalar una muestra en el haz de neutrones del SNS y estudiar la otra como muestra testigo, ", Dijo Briggs." Entonces podemos correlacionar el rendimiento en el rayo con las características de la película ".

A medida que el equipo continúa perfeccionando el proceso de fabricación de láminas en NRL, Plum anticipa mejoras adicionales en las láminas debido a las vastas capacidades tecnológicas de la instalación.

"Tienen algunas herramientas bastante avanzadas en CNMS, "Dijo Plum." Usaremos esas herramientas para descubrir cómo hacer que nuestras láminas decapantes sean aún mejores ".