お客様の挑戦
中性子科学は、物質の構造やダイナミクスを原子レベルで研究するための優れた手段を提供します。オークリッジ国立研究所には、「核破砕中性子源」と「高フラックス同位体炉」という、中性子散乱研究のための世界有数の施設があります。SNSは、米国エネルギー省の6つの研究所が協力して建設した、加速器を用いた中性子源です。このオークリッジにある世界でも類を見ない SNS 施設は、科学研究や産業開発のために、世界で最も強いパルス加速器をベースとして中性子ビームを生成します。
これらのビームは、大規模な加速器コンプレックスからの高エネルギーの陽子を水銀ターゲットに照射することで生成されます。陽子が水銀の原子核を励起し、「核破砕」と呼ばれるプロセスを経て、中性子が放出されます。中性子はビームラインに形成され、研究機器に導かれます。SNS には 18 本のビームラインがあり、最大 24 の の機器システムを収容することができ、そのそれぞれが複数の科学分野に貢献することが期待されています。
2004 年、ノックスビルにある UT の材料科学/エンジニアリング部門は、NSF-MRI プログラムから資金を得て、SNS の VULCAN 回折計のための現場用負荷システムを開発しました。
2009 年 6 月 26 日に試運転された VULCAN は、世界トップクラスの工学回折計です。 構造部品のストレスマッピング、複雑な負荷条件での現場変形研究、合成や加工中の過渡的な挙動、 多波長スケールの相変態のキネティクスといった、材料科学とエンジニアリングにおける幅広い問題に取り組むために設計されました。このシステムは、 中性子ガイド、頑丈なサンプルテーブル、多軸負荷フレーム、および専用検出器のアレイで構成されています。VULCAN の主な資金は、Canada Foundation for Innovation から、追加の建設資金はDOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy から提供されています。Xun-Li Wang 博士が主席研究員、Amy Black が主席エンジニアとして、装置全体の設計および建造を担当しています。
NSF-MRI の受賞により、VULCAN の機能が拡張され、独自の負荷フレームを提供することで、高度な機械試験が可能になりました。負荷フレームを使用して、中性子ビームにさらされた材料試験片に荷重とモーメントをかけながら、研究者は専用の検出器を使用して、試験片からの回折パターンの変化を観察します。これらの測定から、研究者は、破損のメカニズムについて、リアルタイムで、その場で、3次元の原子レベルでの洞察を得ることができます。
「この技術は、先進的に思われるかもしれませんが、材料の特性評価に成功するための中心的な役割は、システムの負荷フレーム部分が 果たしています」と、UT のプロジェクト主任調査員である Peter Liaw 博士は述べています。「中性子ビームは固定された位置にあるため、負荷フレームとその制御システムには、指定されたトルク、張力、圧縮をかけながら試験片をビーム内の中心に保つための、極めて高い精度が要求されます。それも、放射線量が高く、活性度の高い環境で行わなければなりません。これは一般的な負荷フレームシステムでは明らかに無理です。」
「負荷フレームシステムは、垂直方向と水平方向の切り替えが容易にできる程度に軽量でなければならず、さらに高ひずみでの低サイクル疲労試験時に試験片の座屈を最小限に抑えることができる程度に剛性が高い必要があります」と、Xun-Li Wang 博士は付け加えました。「この機能の実現に関連する技術的な課題は非常に大きいものでした。
MTS のソリューション
多軸負荷フレームの開発という課題を克服するために、VULCAN 開発チームは、主に 2 つの理由から MTS との提携を選択しました。すなわち、経験が豊富であることとカスタマイズの能力があったことです。
「当社の主な購入基準の 1 つには、独特な機械的試験の問題を理解し、創造的に解決する能力を実証することが含まれていました」と、 VULCAN プロジェクトの ORNL リードエンジニアである Amy Black 氏は語っています。「MTS はこの点で明らかに傑出した存在であり、長い歴史の中でその実証に成功を収めてきました。」
「何十台もの MTS の試験システムが、ORNL 施設の他のエリアでも使用されており、これらのグループからのフィードバックは満場一致で好意的でした」と Wang 博士は付け加えました。
2010 年 6 月までに、VULCAN 回折計は完全に稼働する予定です。世界でも類を見ない MTS の多軸負荷フレームは、機能的にも視覚的にも設置の中心となります。前例のない 流動的で高度な計装を備えていることで、本装置は非常に高速な現場での容積的な材料への荷重印加の研究が可能であり、これには秒レベル以下での運動挙動の研究が含まれます。
この現場研究には、超高温および超低温環境における、温度分布、テクスチャの変化、応力の発生と析出などが含まれます。VULCAN システムはまた、膨張計、重量および微細構造の同時 特性評価を容易にし、いかなる瞬間にも材料の原子状態の高精度かつ詳細なスナップショットを提供します。
お客様のメリット
「VULCAN 回折計は、材料科学の知識体系を大きく前進させるものであり、その潜在的な用途は無限です」と Liaw 博士は語ります。「その能力は、エネルギー関連の問題を含む世界の最も緊急な問題に対処するために、多くの新しくて馴染みのない材料が開発されている今、 特に有用です。」
「当社は業界の最先端で活動しています。VULCAN の開発では、ほぼすべての段階で新境地を開拓しました」と Black 氏は語ります。「MTS は、このような困難な技術的課題に創造的に対応できる数少ない企業の一つでした。UT と MTS の協業により、さまざまな分野での経験と専門知識が集約された結果、SNS の VULCAN 工学回折計を補完しながら強化するユニークな多軸負荷フレームが完成しました」
