SFIDA DEL CLIENTE
La scienza dei neutroni fornisce un mezzo eccezionale per studiare la struttura e la dinamica dei materiali a livello atomico. L'Oak Ridge National Laboratory ospita lo Spallation Neutron Source e l'High Flux Isotope Reactor, due strutture leader a livello mondiale per la ricerca sulla diffusione di neutroni. Lo SNS è una sorgente di neutroni basata su acceleratore costruita da una partnership di sei laboratori del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. L'impianto SNS a Oak Ridge, unico nel suo genere, genererà il fascio di neutroni più intenso al mondo basato su acceleratore di impulsi per la ricerca scientifica e lo sviluppo industriale.
Questi fasci sono prodotti bombardando un target di mercurio con protoni energetici da un grande complesso di acceleratore. I protoni eccitano i nuclei di mercurio in un processo chiamato spallazione, rilasciando neutroni che vengono formati in fasci e guidati verso gli strumenti di ricerca. L'SNS dispone di 18 linee di fasci che possono ospitare fino a 24 sistemi di strumenti, ciascuno dei quali dovrebbe portare beneficio a diverse aree della scienza.
Nel 2004, il Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali presso l'UT a Knoxville ha ricevuto finanziamenti dal programma NSF-MRI per sviluppare un sistema di caricamento in situ per il diffrattometro VULCAN presso lo SNS.
Commissionato il 26 giugno 2009, VULCAN è un diffrattometro ingegneristico di livello mondiale progettato per affrontare un'ampia gamma di problemi nella scienza e nell'ingegneria dei materiali, come la mappatura della sollecitazione nei componenti strutturali, gli studi di deformazione in situ sotto condizioni di carico complesse, comportamenti transitori durante la sintesi e l'elaborazione e la cinetica delle trasformazioni di fase su scala multi-lunghezza. Il sistema comprende una guida a neutroni, una tavola di campionamento pesante, un telaio di carico multiassiale e una serie di rivelatori specializzati. I maggiori finanziamenti per VULCAN provengono dalla Canada Foundation for Innovation, con ulteriori fondi per la costruzione da DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Il dott. Xun-Li Wang è lo scienziato capo e Amy Black l'ingegnere capo, responsabile della progettazione generale e della costruzione dello strumento.
Il premio NSF-MRI amplia le capacità di VULCAN fornendo un telaio di carico unico per consentire test meccanici sofisticati. Durante l'uso del telaio di carico per applicare carichi e momenti a un campione di materiale esposto al raggio di neutroni, i ricercatori impiegheranno rilevatori specializzati per osservare il cambiamento nei modelli di diffrazione dal campione. Da queste misurazioni, i ricercatori possono ottenere informazioni sui meccanismi di guasto in tempo reale, in situ, in tre dimensioni e a livello atomico.
"Per quanto questa tecnologia possa sembrare avanzata, la porzione del telaio di carico del sistema è fondamentale per il suo uso efficace per la caratterizzazione dei materiali", ha affermato il dott. Peter Liaw, ricercatore principale del progetto di UT. "Dato che il raggio di neutroni è in una posizione fissa, il telaio di carico e il suo sistema di controllo devono raggiungere un'estrema precisione al fine di mantenere il campione centrato all'interno del raggio applicando coppia, tensione e compressione specificate. E tutto ciò deve avvenire all'interno di un ambiente altamente radioattivo e con attivazione di alto livello. Un sistema di telaio di carico standard ovviamente non basterebbe".
"Il sistema del telaio di carico deve anche essere sufficientemente leggero da facilitare il passaggio semplice da un orientamento verticale a uno orizzontale, eppure estremamente rigido per ridurre al minimo l'instabilità del campione durante i test di fatica a basso numero di cicli con sollecitazioni elevate", ha aggiunto il dott. Xun-Li Wang. "Le sfide ingegneristiche associate al raggiungimento di questa capacità erano enormi".
SOLUZIONE MTS
Per superare le sfide dello sviluppo del telaio di carico multiassiale, il team di sviluppo VULCAN ha scelto di collaborare con MTS per due motivi principali: esperienza e capacità di personalizzazione.
"Uno dei nostri principali criteri di acquisto includeva la capacità dimostrata di comprendere e risolvere in modo creativo problemi di test meccanici unici, ha affermato Amy Black, ingegnere capo dell'ORNL del progetto VULCAN. "MTS è chiaramente una realtà di spicco in questo senso, con una lunga storia di successi che lo dimostrano".
"Dozzine di sistemi di test MTS sono in uso anche in altre aree della struttura ORNL e il feedback è stato unanimemente positivo da parte di questi gruppi" ha aggiunto il dott.Wang.
Entro giugno 2010, il diffrattometro VULCAN sarà pienamente operativo, con un telaio di carico MTS multiassiale unico nel suo genere che fungerà da fulcro funzionale e visivo dell'installazione. Con un flusso senza precedenti e una strumentazione avanzata, lo strumento consentirà studi di carico volumetrico del materiale in situ estremamente rapidi, nonché la capacità di studiare i comportamenti cinetici in tempi inferiori al secondo.
Gli studi in situ includono la distribuzione della temperatura, i cambiamenti di texture e lo sviluppo e la precipitazione della sollecitazione, in ambienti operativi sia a temperature estremamente elevate sia criogenici. Il sistema VULCAN facilita anche la caratterizzazione simultanea di dilatometria, peso e microstruttura, fornendo un'istantanea estremamente accurata e dettagliata dello stato atomico di un materiale in qualsiasi momento.
VANTAGGI PER IL CLIENTE
"Il diffrattometro VULCAN è in grado di far progredire in modo significativo il patrimonio di conoscenze della scienza dei materiali; i suoi potenziali usi sono infiniti", ha affermato il dott. Liaw. "Le sue capacità saranno particolarmente utili in un momento in cui molti materiali nuovi e sconosciuti vengono sviluppati per affrontare i problemi più urgenti del mondo, compresi i problemi legati all'energia".
"Qui stiamo lavorando all'avanguardia del settore; stavamo aprendo nuovi orizzonti in quasi ogni fase dello sviluppo di VULCAN", ha affermato Black. "MTS era una delle poche aziende là fuori in grado di affrontare in modo creativo sfide ingegneristiche così formidabili. La nostra collaborazione con UT e MTS ha unito esperienza e competenza in un'ampia varietà di campi e il risultato è un telaio di carico multiassiale, unico, che completerà e migliorerà il diffrattometro ingegneristico VULCAN presso l'SNS.
