Il peut être difficile de croire que fragile, des morceaux ultrafins de matériau aussi légers qu'une plume et de la taille d'un chewing-gum pourraient avoir un impact énorme sur des milliers d'expériences neutroniques chaque année. Mais ces films spécialisés, connu sous le nom de feuilles de décapage de diamant, jouer un rôle impressionnant à la source de neutrons de spallation du laboratoire national d'Oak Ridge.

Le SNS, une installation d'utilisateurs de l'Office of Science du ministère de l'Énergie, ne pouvait pas fonctionner sans les feuilles, qui dépouillent les électrons dans un processus qui aboutit à la création d'une puissante impulsion de protons utilisée pour produire des neutrons pour la recherche en science des matériaux.

Mike Plum, chef d'équipe de physique des accélérateurs et responsable de zone d'anneau, expliqué le rôle du fleuret. Ions hydrogène chargés négativement, contenant chacun un proton et deux électrons, Voyage à travers l'accélérateur linéaire. La feuille éloigne les électrons du proton, en les déposant dans un collecteur d'électrons. Le faisceau de protons restant se déplace dans l'anneau accumulateur et circule 1, 000 fois tandis que de nouveaux protons rejoignent le cluster.

"Imaginez que vous ayez un train qui fait 1, 000 wagons couverts, " dit Plum. " Si vous prenez le premier wagon couvert et l'injectez dans le ring, au moment où il revient au point de départ, le deuxième wagon couvert arrive et monte dessus, et puis le troisième arrive. Alors, vous avez pris un train c'est 1, 000 wagons couverts et l'a transformé en un train long d'un wagon mais 1, 000 wagons couverts."

Une fois que les protons en rotation génèrent suffisamment de puissance pour une diffusion optimale des neutrons, l'anneau de stockage libère une intense impulsion de protons pour frapper la cible de mercure de SNS, provoquant l'écaillage ou le rebond des neutrons dans toutes les directions. La spallation résultante peut être exploitée en canalisant les neutrons dans des guides de faisceau menant à des instruments spécialisés où les chercheurs mènent des expériences pour étudier les matériaux.

Les feuilles de décapage permettent au personnel de SNS de manipuler le faisceau pour minimiser la perte de faisceau qui gaspille des particules précieuses et entrave le processus global.

"Au lieu que le faisceau soit long et fin, nous voulons le rendre court et dense, " a déclaré Plum. " La seule façon pratique de le faire est d'utiliser des feuilles de décapage. "

Parce que les foils jouent un rôle essentiel dans les opérations quotidiennes, une conception de produit supérieure et un processus de production rationalisé sont fondamentalement importants. Ces deux facteurs nécessitent une attention aux détails et une approche continuellement mise à jour, faire de la production une expérience d'apprentissage constant.

La fabrication a lieu au Laboratoire de recherche en nanofabrication, ou LNR, une salle blanche au Centre des sciences des matériaux en nanophase de l'ORNL. Les avantages de cet emplacement comprennent une proximité avec SNS et des équipements plus avancés, conduisant à une augmentation de la production de feuilles.

"Ces feuilles ont des caractéristiques de film uniques qui leur confèrent une durée de vie inhabituellement longue dans des courants de faisceau relativement élevés, deux paramètres essentiels au bon fonctionnement du SNS, " a déclaré Dayrl Briggs, Responsable des opérations techniques du LNR au CNMS.

Malgré la fragilité des foils, ils sont capables de résister à des conditions de faisceaux d'ions intenses. Chaque feuille individuelle est très mince, mesurant environ 1 micromètre d'épaisseur. S'ils étaient plus épais, le faisceau de protons serait considérablement affaibli lors du passage à travers la feuille, ce qui compliquerait le processus.

"Les feuilles de strip-teaseuse sont à la limite de ce qui est technologiquement possible, " Dit Plum. "Ils deviennent si chauds et tellement abîmés par les conditions de faisceau que c'est un vrai défi de faire durer nos foils de strip-teaseuse."

Cependant, le barrage continuel d'impulsions ioniques n'est pas la seule menace pour la facilité d'utilisation du foil.

"Ces foils sont très sensibles à tout type de mouvement d'air ou de choc mécanique, " a déclaré Chris Chance, qui fait des recherches, les taux, et recommande des feuilles à utiliser chez SNS. "Chaque foil est unique, alors j'étudie chacun pour m'assurer qu'il n'y a pas de déchirures ou d'autres imperfections."

L'équipe de foil a récemment reçu un prix UT-Battelle pour le succès global de l'effort et pour son engagement à améliorer la production et les performances du foil. Leur projet de modernisation de développement de feuilles impliquait des changements logistiques tels que l'obtention d'un outil de dépôt chimique en phase vapeur par micro-ondes qui a été spécifié, construit, testé et installé chez NRL.

Les membres de l'équipe comprennent Michael Baumgartner, Michel Prune, Chris Chance, et Jeremy Price de SNS et Dayrl Briggs, Dale Hensley, Kévin Lester, Scott Retterer, Bernadeta R. Srijanto, et Leslie Wilson de CNMS. Plum a également cité les contributions cruciales de Robert Shaw de la division des sciences chimiques du laboratoire, qui a dirigé l'équipe de production d'aluminium d'origine.

Briggs souhaite que les foils aient une durée de vie plus longue et une meilleure fiabilité à l'avenir. Pour atteindre ces objectifs, l'équipe devra mieux comprendre la structure et les performances de la feuille de diamant. Par ailleurs, il expliqua, l'équipe a effectué des tests pour s'assurer que les nouveaux foils seront uniformes, en utilisant des films existants comme référence pour augmenter l'efficacité.

"La capacité de traiter deux échantillons à la fois, en plus de doubler notre débit, permet d'installer un échantillon dans le faisceau de neutrons du SNS et d'étudier l'autre comme échantillon témoin, " a déclaré Briggs. "Nous pouvons alors corréler les performances du faisceau aux caractéristiques du film."

Alors que l'équipe continue de perfectionner le processus de fabrication des feuilles chez NRL, Plum prévoit d'autres améliorations des foils en raison des vastes capacités technologiques de l'installation.

"Ils ont des outils assez avancés chez CNMS, " Dit Plum. " Nous utiliserons ces outils pour trouver comment rendre nos feuilles de décapage encore meilleures. "