고객이 직면한 과제
중성자 과학은 원자 수준에서 물질의 구조와 역학을 연구하기 위한 탁월한 수단을 제공합니다. Oak Ridge 국립 연구소는 중성자 산란 연구를 위한 세계 최고 수준의 시설 두 곳인 SNS(Spallation Neutron Source)와 HFIR(High Flux Isotope Reactor)의 본거지입니다. SNS는 6개의 미국 에너지부 산하 연구소가 협력하여 구축한 가속기 기반 중성자원입니다. Oak Ridge의 유일한 SNS 시설은 과학 연구 및 산업 개발을 위해 세계에서 가장 강력한 수준의 펄스용 가속기 기반 중성자 보를 생성합니다.
이 보는 대형 가속기 복합체의 에너지 양성자로 수은 표적에 충격을 가하여 생성됩니다. 양성자는 파쇄라고 하는 과정에서 수은 핵을 여기시켜 보 라인으로 형성되고 연구 장비로 안내되는 중성자를 방출합니다. SNS에는 최대 24개의 기기 시스템을 수용할 수 있는 18개의 보 라인이 있으며 각각은 여러 과학 분야에 도움이 될 것으로 예상됩니다.
2004년, 녹스빌에 있는 UT의 재료 과학 및 엔지니어링 부서는 SNS에서 VULCAN 회절계를 위한 현장 로딩 시스템을 개발하기 위해 NSF-MRI 프로그램으로부터 자금을 지원받았습니다.
2009년 6월 26일에 의뢰. VULCAN은 구조 구성요소의 응력 매핑, 복잡한 하중 조건에서의 현장 변형 연구, 합성 및 처리 중 과도 거동, 다중 길이 스케일 위상 변환의 동역학과 같은 재료 과학 및 엔지니어링 분야의 광범위한 문제를 해결하도록 설계된 세계적 수준의 엔지니어링 회절계입니다. 이 시스템은 중성자 가이드, 고하중 샘플 테이블, 다축 하중 프레임 및 일련의 특수 검출기로 구성됩니다. VULCAN에 대한 주요 자금은 캐나다 혁신 재단(Canada Foundation for Innovation)에서, 추가 건설 자금은 DOE 에너지 효율 및 재생 에너지 사무국(Office of Energy Efficiency and Renewable Energy)에서 제공합니다. 수석 과학자인 Xun-Li Wang 박사와 수석 엔지니어인 Amy Black이 기기의 전반적인 설계 및 구성을 책임지고 있습니다.
NSF-MRI 상은 정교한 기계적 테스트가 가능한 고유한 하중 프레임을 제공하여 VULCAN의 기능을 확장합니다. 하중 프레임을 사용하여 중성자 보에 노출된 재료 시편에 하중과 모멘트를 적용하는 동안 연구원들은 특수 검출기를 사용하여 시편의 회절 패턴 변화를 관찰합니다. 이러한 측정을 통해 연구원들은 실시간, 현장, 3차원 및 원자 수준에서 실패 메커니즘에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.
UT의 수석 프로젝트 조사관인 Peter Liaw 박사는 “이 기술이 발전된 것처럼 들릴 수 있지만 시스템의 하중 프레임 부분은 재료 특성화를 위한 성공적인 사용의 핵심입니다."라고 설명하며 "중성자 보가 고정된 위치에 있기 때문에 하중 프레임과 제어 시스템은 지정된 토크, 장력 및 압축을 적용하는 동안 시편을 보 내 중앙에 유지하기 위해 극도의 정밀도를 달성해야 합니다. 그리고 이 모든 것은 고방사선 및 고활성 환경에서 발생해야 합니다. 표준 하중 프레임 시스템에서 분명히 수행할 수 없습니다.”
“하중 프레임 시스템은 수직 방향에서 수평 방향으로 쉽게 전환할 수 있을 만큼 가벼워야 하지만 높은 변형률에서 저주기 피로 측정 테스트 중에 시편 좌굴을 최소화할 수 있을 만큼 매우 견고해야 합니다.”라고 덧붙였습니다. "이 기능을 달성하는 것과 관련된 엔지니어링 과제는 엄청났습니다."
MTS 솔루션
다축 하중 프레임 개발의 어려움을 극복하기 위해 VULCAN 개발 팀은 다음의 두 가지 주요 이유로 MTS와 파트너 관계를 선택했습니다. 경험 및 사용자 정의 기능
“VULCAN 프로젝트의 선임 ORNL 엔지니어인 Amy Black 씨는 "주요 구매 기준 중 하나는 고유한 기계적 테스트 문제를 이해하고 창의적으로 해결하는 능력을 입증하는 것이었습니다. “MTS는 이와 관련하여 입증된 오랜 성공의 역사와 함께 이 점에서 분명히 두드러졌습니다."
“수십 개의 MTS 테스트 시스템이 ORNL 시설의 다른 영역에서도 사용 중이며 피드백은 만장일치로 긍정적이었습니다."라고 왕 박사는 덧붙였습니다.
2010년 6월부터 VULCAN 회절계는 기능적이고 시각적인 설치의 중심 역할을 하는 독특한 다축 MTS 로드 프레임과 함께 완전히 작동할 것입니다. 전례없는 플럭스 및 고급 기기를 사용하여 기기는 초 단위 시간 내에 운동 거동을 연구하는 기능을 포함하여 매우 빠른 현장 체적 재료 로딩 연구를 허용합니다.
현장 연구에는 극저온 및 극저온 작동 환경 모두에서 온도 분포, 조직 변화, 응력 발생 및 강수가 포함됩니다. VULCAN 시스템은 또한 팽창계, 중량 및 미세 구조의 동시 특성화를 용이하게 하여 언제든지 재료의 원자 상태에 대한 매우 정확하고 상세한 스냅샷을 생성합니다.
고객 혜택
“VULCAN 회절계는 재료 과학 지식을 크게 발전시킬 것이며 잠재적인 용도는 끝이 없습니다.” 라고 Liaw 박사는 말했습니다. “에너지 관련 문제를 포함하여 세계에서 가장 시급한 문제를 해결하기 위해 많은 새롭고 생소한 물질이 개발되고 있는 시기에 이 기능은 특히 유용할 것입니다.”
"우리는 여기에서 업계의 최전선에서 활동하고 있으며 VULCAN 개발 과정의 거의 모든 단계에서 새로운 지평을 열었습니다."라고 Black 씨는 말했습니다. “MTS는 이러한 엄청난 엔지니어링 과제를 창의적으로 해결할 수 있는 몇 안 되는 회사 중 하나였습니다. UT 및 MTS와의 협업은 다양한 분야의 경험과 전문성이 결합되었으며 그 결과 SNS에서 VULCAN 엔지니어링 회절계를 보완하고 향상시킬 고유한 다축 하중 프레임이 탄생했습니다.”
