La capacidad de ver directamente el tejido atómico de los materiales proporciona información fundamental para acelerar el diseño y mejorar el rendimiento de las tecnologías futuras. Visualizar en el espacio real los comportamientos y la dinámica de los materiales requiere sondas potentes e instrumentación avanzada.

La construcción ha comenzado en VENUS, un instrumento de imágenes de neutrones de última generación, en la fuente de neutrones de espalación en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía. Este nuevo instrumento proporcionará una plataforma para estudiar en tiempo real la composición y el rendimiento de una amplia gama de materiales funcionales en diferentes entornos.

VENUS beneficiará a diversas áreas de investigación, incluido el desarrollo de materiales relacionados con la energía (por ejemplo, baterías combustibles nucleares, biocombustibles); materiales de ingeniería avanzada (por ejemplo, aleaciones fabricadas aditivamente, aluminio y acero, fibras de carbono, hormigón, vidrio); y estudios de materiales arqueológicos y naturales, proporcionar información sobre los procesos geológicos, biología y fisiología vegetal.

Junto con SNS, la fuente de neutrones basada en acelerador pulsado más potente del mundo, VENUS será la única plataforma de instalaciones de investigación abierta en los EE. UU. Que proporcionará capacidades de imágenes de neutrones de tiempo de vuelo a usuarios del mundo académico y de la industria.

Los neutrones juegan un papel importante en nuestra comprensión del mundo material. Los científicos los utilizan para estudiar la estructura de la materia, desde la mesa hasta la escala atómica, porque los neutrones penetran profundamente, no llevar carga, y no son destructivos, haciéndolos aptos para estudiar, por ejemplo, estructuras biológicas, tensiones y defectos del metal, y comportamiento magnético en materiales cuánticos.

En general, mientras los neutrones se dispersan, o "rebotar" en los átomos de un material, revelan información sobre la ubicación y el comportamiento de un átomo. Imágenes de neutrones, por otra parte, medidas en la transmisión, a medida que los neutrones atraviesan un material, para producir una radiografía de neutrones, muy parecido a una radiografía clínica.

"Las imágenes de neutrones se tratan de contraste:ver algo detrás de otra cosa o ver la diferencia entre un lado de la muestra y el otro, "dijo la científica de instrumentos ORNL Hassina Bilheux, desarrollador líder en el proyecto VENUS. "Por ejemplo, si desea ver el litio mientras se mueve a través de la batería, necesita contraste para aislar la señal que proviene de los iones de litio ".

La construcción de la línea de luz VENUS en SNS aprovechará la fuente de neutrones basada en el acelerador de la instalación y proporcionará técnicas de imagen avanzadas que complementan las disponibles actualmente en la fuente de neutrones de estado estable del laboratorio. el reactor de isótopos de alto flujo. El acelerador de fuente pulsada SNS permite la técnica de tiempo de vuelo, que utiliza neutrones con marca de tiempo que se pueden ajustar y preseleccionar en un rango de energías. La técnica proporciona el contraste sintonizable necesario para revelar información estructural con neutrones de baja energía utilizando un enfoque llamado imágenes de borde de Bragg. También identifica elementos específicos dentro de una muestra utilizando neutrones de alta energía con imágenes de resonancia para comprender mejor las propiedades funcionales y los comportamientos del material.

"Por ejemplo, para distinguir entre ciertos elementos pesados ​​como el europio, tantalio gadolinio y uranio, uno necesita neutrones de mayor energía, que proporciona SNS, "Dijo Bilheux." Medir con VENUS nos proporcionará mapas tridimensionales que nos mostrarán dónde se encuentra un elemento pesado dentro de una muestra, y podremos cambiar entre diferentes elementos pesados. Esa capacidad será increíblemente beneficiosa para optimizar la eficiencia de nuevos materiales nucleares, que es una alta prioridad para DOE ".

VENUS está en camino de completarse en 2022 y se espera que esté listo para los usuarios científicos en 2023. La línea de luz garantizará que Estados Unidos siga siendo competitivo con las fuentes internacionales de espalación que ya están construyendo u operando actualmente instrumentos de imágenes avanzados.

Para cumplir con el cronograma de 2023, los desarrolladores están utilizando una parte del tiempo del haz en el difractómetro SNAP para desarrollar software de imágenes y capacitar a la comunidad de usuarios antes del lanzamiento de VENUS. El diseño del instrumento y sus componentes principales también está en progreso.

"VENUS nos permitirá no solo recopilar información sobre la estructura de un material, sino también cómo cambia la estructura durante la carga aplicada, como el calor o la presión, ", dijo Bilheux." Podremos hacer más experimentos y obtener resultados más rápidos, todo sin tener que utilizar varios instrumentos de imagen ".

SNS es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. UT-Battelle LLC administra ORNL para la Oficina de Ciencias del DOE. La Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Es el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más urgentes de nuestro tiempo.