KUNDENHERAUSFORDERUNG
Die Neutronenforschung bietet ein außergewöhnliches Mittel zur Untersuchung der Struktur und Dynamik von Materialien auf atomarer Ebene. Das Oak Ridge National Laboratory beherbergt die Spallationsneutronenquelle und den Hochfluss-Isotopreaktor, zwei weltweit führende Anlagen für die Forschung mit Neutronenstreuung. SNS ist eine beschleunigerbasierte Neutronenquelle , die im Rahmen einer Partnerschaft von sechs Labors des US-Energieministeriums gebaut wurde. Die einzigartige SNS-Anlage in Oak Ridge wird die weltweit intensivsten gepulsten, auf Beschleunigern basierenden Neutronenstrahlen für wissenschaftliche Forschung und industrielle Entwicklung erzeugen.
Diese Strahlen werden durch Beschuss eines Quecksilberziels mit energiereichen Protonen aus einem großen Beschleunigerkomplex erzeugt. Die Protonen regen die Quecksilberkerne in einem Prozess an, der als Spallation bezeichnet wird. Dabei werden Neutronen freigesetzt, die zu Strahlenbündeln geformt und zu Forschungsinstrumenten geleitet werden. SNS verfügt über 18 Strahllinien, die bis zu 24 Instrumentensysteme aufnehmen können, von denen jeweils mehrere Bereiche der Wissenschaft profitieren sollen.
Im Jahr 2004 erhielt das Materials Science and Engineering Department der UT in Knoxville Fördermittel aus dem NSF-MRI-Programm für die Entwicklung eines In-situ-Beladungssystems für das VULCAN-Diffraktometer an der SNS.
Das am 26. Juni 2009 in Betrieb genommene VULCAN ist ein technisches Diffraktometer der Spitzenklasse, das für eine breite Palette von Problemen in der Materialwissenschaft und -technik entwickelt wurde, wie z. B. die Abbildung von Spannungen in strukturellen Komponenten, In-situ-Verformungsstudien unter komplexen Belastungsbedingungen, instationäres Verhalten während der Synthese und Verarbeitung, und die Kinetik von Phasenumwandlungen auf mehreren Längenskalen. Das System besteht aus einem Neutronenleiter, einem hochbelastbaren Probentisch, einem multiaxialen Lastrahmen und einem Array von Spezialdetektoren. Die Hauptfinanzierung für VULCAN kommt von der Canada Foundation for Innovation, mit zusätzlichen Baumitteln vom DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Dr. Xun-Li Wang ist der leitende Wissenschaftler und Amy Black die leitende Ingenieurin, die für das gesamte Design und die Konstruktion des Instruments verantwortlich ist.
Der NSF-MRI-Preis erweitert die Möglichkeiten von VULCAN durch die Bereitstellung eines einzigartigen Last Rahmens, der anspruchsvolle mechanische Tests ermöglicht. Während mit dem Lastrahmen Lasten und Momente auf eine Materialprobe aufgebracht werden, die dem Neutronenstrahl ausgesetzt ist, beobachten die Forscher mit den speziellen Detektoren die Veränderung der Beugungsmuster der Probe. Aus diesen Messungen können die Forscher Erkenntnisse über die Mechanismen des Versagens in Echtzeit, in situ, in drei Dimensionen und auf atomarer Ebene gewinnen.
„So fortschrittlich diese Technologie auch klingen mag, der Lastrahmen des Systems ist von zentraler Bedeutung für den erfolgreichen Einsatz zur Materialcharakterisierung“, so Dr. Peter Liaw, leitender Projektforscher von UT. „Da sich der Neutronenstrahl in einer festen Position befindet, müssen der Lastrahmen und sein Steuerungssystem eine extreme Präzision erreichen, um die Probe innerhalb des Strahls zentriert zu halten, während das spezifizierte Drehmoment, die Spannung und der Druck angewendet werden. Und all dies muss in einer Umgebung mit hoher Strahlung und hoher Aktivierung geschehen. Ein Standard-Lastrahmensystem würde eindeutig nicht ausreichen.“
„Das Lastrahmensystem muss außerdem leicht genug sein, um einen einfachen Wechsel von einer vertikalen zu einer horizontalen Ausrichtung zu ermöglichen, und gleichzeitig hochsteif, um das Ausknicken der Probe während niedrigzyklischer Ermüdungstests bei hohen Dehnungen zu minimieren“, fügt Dr. Xun-Li Wang hinzu. „Die technischen Herausforderungen, die mit dem Erreichen dieser Fähigkeit verbunden waren, waren enorm.“
MTS-LÖSUNG
Um die Herausforderungen bei der Entwicklung des multiaxialen Lastrahmens zu meistern, entschied sich das VULCAN Entwicklungsteam aus zwei Hauptgründen für eine Partnerschaft mit MTS: Erfahrung und Anpassungsmöglichkeiten.
„Eines unserer wichtigsten Kaufkriterien war die nachgewiesene Fähigkeit, einzigartige mechanische Testprobleme zu verstehen und kreativ zu lösen“, sagte Amy Black, leitende ORNL-Ingenieurin des VULCAN-Projekts. „MTS stach in dieser Hinsicht klar hervor und kann eine lange Erfolgsgeschichte vorweisen.“
„Dutzende von MTS-Testsystemen sind auch in anderen Bereichen der ORNL-Anlage im Einsatz, und das Feedback war einhellig positiv von diesen Gruppen“, fügte Dr. Wang hinzu.
Bis Juni 2010 wird das VULCAN Diffraktometer voll funktionsfähig sein, wobei ein einzigartiger, multiaxialer MTS-Lastrahmen als funktionales – und optisches – Herzstück der Installation dient. Mit beispiellosem Fluss und fortschrittlicher Instrumentierung wird das Gerät extrem schnelle volumetrische Materialbelastungsstudien in-situ ermöglichen, einschließlich der Möglichkeit, kinetisches Verhalten in Subsekundenzeiten zu untersuchen.
In-situ-Untersuchungen umfassen die Temperaturverteilung, Texturänderungen sowie die Entwicklung von Spannungen und Ausscheidungen, sowohl bei extrem hohen Temperaturen als auch in kryogenen Betriebsumgebungen. Das VULCAN System ermöglicht auch die gleichzeitige Charakterisierung von Dilatometrie, Gewicht und Mikrostruktur, was eine hochgenaue und detaillierte Momentaufnahme des atomaren Zustands eines Materials zu jedem Zeitpunkt ergibt.
KUNDENVORTEILE
„Das VULCAN Diffraktometer wird den Wissensstand der Materialwissenschaften erheblich erweitern; seine Einsatzmöglichkeiten sind endlos“, sagte Dr. Liaw. „Seine Fähigkeiten werden besonders nützlich sein in einer Zeit, in der viele neue und ungewohnte Materialien entwickelt werden, um die dringendsten Probleme der Welt zu lösen, einschließlich der Probleme im Zusammenhang mit Energie.“
„Wir arbeiten hier an der Spitze der Branche und haben bei der Entwicklung von VULCAN fast bei jedem Schritt Neuland betreten“, so Black. „MTS war eine der wenigen Firmen, die solche gewaltigen technischen Herausforderungen kreativ meistern konnten. Unsere Zusammenarbeit mit UT und MTS hat Erfahrung und Fachwissen in einer Vielzahl von Bereichen zusammengebracht und das Ergebnis ist ein einzigartiger, multiaxialer Lastrahmen, der das VULCAN Engineering Diffraktometer bei SNS ergänzen und verbessern wird.“
