Rendu artistique de la ligne de lumière d'imagerie VENUS en construction à la source de neutrons de spallation de l'ORNL. VENUS fournira des informations percutantes sur des domaines de recherche tels que ceux présentés, y compris les combustibles nucléaires tels que l'uranium (à gauche), matériaux fabriqués de manière additive, processus biologiques, composants d'ingénierie, études de matériaux archéologiques et naturels. Crédit :ORNL/Jill Hemman
La capacité de voir directement le tissu atomique des matériaux fournit des informations essentielles pour accélérer la conception et améliorer les performances des technologies futures. Visualiser dans l'espace réel les comportements et la dynamique des matériaux nécessite des sondes puissantes et une instrumentation de pointe.
La construction a commencé sur VENUS, un instrument d'imagerie neutronique de pointe, à la source de neutrons de spallation du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie. Ce nouvel instrument fournira une plate-forme pour étudier en temps réel la composition et les performances d'une large gamme de matériaux fonctionnels dans des environnements variés.
VENUS bénéficiera à divers domaines de recherche, y compris le développement de matériaux liés à l'énergie (par exemple, piles, combustibles nucléaires, biocarburants); matériaux d'ingénierie de pointe (par exemple, alliages fabriqués de manière additive, aluminium et acier, fibres de carbone, béton, un verre); et études de matériaux archéologiques et naturels, fournir des informations sur les processus géologiques, biologie et physiologie végétale.
Couplé au SNS, la source de neutrons à accélérateur pulsé la plus puissante au monde, VENUS sera la seule plate-forme d'installation de recherche ouverte aux États-Unis à fournir des capacités d'imagerie neutronique en temps de vol aux utilisateurs des universités et de l'industrie.
Les neutrons jouent un rôle important dans notre compréhension du monde matériel. Les scientifiques les utilisent pour étudier la structure de la matière, de la paillasse à l'échelle atomique, car les neutrons pénètrent profondément, sans frais, et sont non destructifs, les rendant aptes à l'étude, par exemple, structures biologiques, contraintes et défauts du métal, et le comportement magnétique dans les matériaux quantiques.
En général, lorsque les neutrons se dispersent, ou "rebondir" sur les atomes d'un matériau, ils révèlent des informations sur l'emplacement et le comportement d'un atome. Imagerie neutronique, d'autre part, mesures en transmission - lorsque les neutrons traversent un matériau - pour produire une radiographie neutronique, un peu comme une radiographie clinique.
Les images de données réelles illustrent les distinctions entre les éléments lourds utilisés dans les combustibles nucléaires (à gauche), orientations cristallines variables dans les matériaux fabriqués de manière additive (D-O-E), transport d'hydrogène dans les systèmes végétaux et biologiques, identifier les défauts internes des matériaux d'ingénierie, et l'analyse non destructive d'artefacts historiques. Crédit :ORNL/Jill Hemman
« L'imagerie neutronique concerne le contraste :voir quelque chose derrière quelque chose d'autre ou voir la différence entre un côté de votre échantillon et l'autre, " a déclaré Hassina Bilheux, scientifique instrumentiste de l'ORNL, développeur principal du projet VENUS. "Par exemple, si vous voulez voir le lithium se déplacer dans la batterie, vous avez besoin de contraste pour isoler le signal provenant des ions lithium."
La construction de la ligne de lumière VENUS au SNS tirera parti de la source de neutrons basée sur l'accélérateur de l'installation et fournira des techniques d'imagerie avancées qui complètent celles actuellement disponibles à la source de neutrons en régime permanent du laboratoire, le réacteur isotopique à haut flux. L'accélérateur à source pulsée SNS permet la technique du temps de vol, qui utilise des neutrons horodatés qui peuvent être ajustés et présélectionnés sur une gamme d'énergies. La technique fournit le contraste réglable nécessaire pour révéler des informations structurelles avec des neutrons de basse énergie en utilisant une approche appelée imagerie de Bragg-edge. Il identifie également des éléments spécifiques dans un échantillon à l'aide de neutrons à haute énergie avec imagerie par résonance pour mieux comprendre les propriétés fonctionnelles et les comportements du matériau.
"Par exemple, distinguer certains éléments lourds comme l'europium, tantale, gadolinium, et de l'uranium, il faut des neutrons de plus haute énergie, que SNS fournit, " a déclaré Bilheux. " Mesurer avec VENUS nous fournira des cartes en trois dimensions nous montrant où se trouve un élément lourd dans un échantillon, et nous pourrons basculer entre différents éléments lourds. Cette capacité sera incroyablement bénéfique pour optimiser l'efficacité des nouvelles matières nucléaires, ce qui est une priorité élevée pour le DOE. »
VENUS est en passe d'être achevé en 2022 et devrait être prêt pour les utilisateurs scientifiques d'ici 2023. La ligne de faisceau permettra aux États-Unis de rester compétitifs par rapport aux sources de spallation internationales qui construisent déjà ou exploitent actuellement des instruments d'imagerie avancés.
Pour respecter l'échéancier de 2023, les développeurs utilisent une partie du temps de faisceau sur le diffractomètre SNAP pour développer un logiciel d'imagerie et former la communauté des utilisateurs avant le lancement de VENUS. La conception de l'instrument et de ses principaux composants est également en cours.
"VENUS nous permettra non seulement de recueillir des informations sur la structure d'un matériau, mais aussi sur la façon dont la structure change pendant la charge appliquée telle que la chaleur ou la pression, " a déclaré Bilheux. " Nous pourrons faire plus d'expériences et obtenir des résultats plus rapides, le tout sans avoir à utiliser plusieurs instruments d'imagerie."
SNS est une installation utilisateur du DOE Office of Science. UT-Battelle LLC gère ORNL pour le bureau des sciences du DOE. L'Office of Science du département de l'Énergie des États-Unis est le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s'efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque.
