RETO DEL CLIENTE
La ciencia de los neutrones proporciona un medio excepcional para estudiar la estructura y la dinámica de los materiales a nivel atómico. El Laboratorio Nacional de Oak Ridge alberga la Fuente de neutrones por espalación (SNS) y el Reactor de isótopos de alto flujo, dos instalaciones líderes en el mundo para la investigación de la dispersión de neutrones. La SNS es una fuente de neutrones basada en aceleradores construida por una asociación de seis laboratorios del Departamento de Energía de EE. UU. La instalación de SNS en Oak Ridge, única en su género, generará los haces de neutrones basados en aceleradores pulsados más intensos del mundo para la investigación científica y el desarrollo industrial.
Estos haces se producen al bombardear un objetivo de mercurio con protones energéticos procedentes de un complejo acelerador de gran tamaño. Los protones excitan los núcleos de mercurio en un proceso llamado espalación, liberando neutrones que se forman en líneas de haz y guían a los instrumentos de investigación. SNS tiene 18 líneas de haz que pueden acomodar hasta 24 sistemas de instrumentos y se espera que cada uno beneficie a varias áreas de la ciencia.
En 2004, el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de UT, en Knoxville recibió fondos del Programa NSF-MRI para desarrollar un sistema de carga en el lugar para el difractómetro VULCAN en el SNS.
Puesto en servicio el 26 de junio de 2009, VULCAN es un difractómetro de ingeniería de categoría mundial diseñado para abordar una amplia gama de problemas en la ciencia y la ingeniería de materiales, como el mapeo de tensiones en componentes estructurales, los estudios de deformación in situ en condiciones de carga complejas, los comportamientos transitorios durante la síntesis y el procesamiento, y la cinética de las transformaciones de fase a escala múltiple. El sistema comprende una guía de neutrones, una mesa de muestras de alta resistencia, un bastidor de carga multiaxial y una serie de detectores especializados. La mayor parte de la financiación de VULCAN procede de la Fundación Canadiense para la Innovación, con fondos de construcción adicionales de la Oficina de Eficiencia Energética y Energías Renovables del Departamento de Energía. El Dr. Xun-Li Wang es el científico principal y Amy Black la ingeniera principal, responsable del diseño y de la construcción general del instrumento.
El premio NSF-MRI amplía las capacidades de VULCAN al proporcionar un bastidor de carga único para permitir pruebas mecánicos sofisticados. Al usar el bastidor de carga para aplicar cargas y momentos a una probeta de material expuesta al haz de neutrones, los investigadores utilizarán detectores especializados para observar el cambio en los patrones de difracción de la probeta. A partir de estas mediciones, los investigadores pueden obtener información sobre los mecanismos de falla en tiempo real, en el lugar, en tres dimensiones y a nivel atómico.
"Por más avanzada que pueda parecer esta tecnología , la parte del bastidor de carga del sistema es fundamental para su uso exitoso para la caracterización de materiales", menciona el Dr. Peter Liaw, investigador principal del proyecto de UT. "Como el haz de neutrones está en una posición fija, el bastidor de carga y su sistema de control deben lograr una precisión extrema para mantener la probeta centrada dentro del haz mientras se aplica el par, la tensión y la compresión especificados. Y todo esto debe ocurrir dentro de un entorno de alta radiación y alta activación. Un sistema de bastidor de carga estándar claramente no funcionaría.
“El sistema de bastidor de carga también debe ser lo suficientemente liviano para facilitar el cambio de una orientación vertical a horizontal, pero muy rígido para minimizar el pandeo de la muestra durante las pruebas de fatiga de ciclo bajo con altas deformaciones”, agregó el Dr. Xun-Li Wang. "Los retos de ingeniería asociados con el logro de esta capacidad fueron enormes".
SOLUCIÓN DE MTS
Para superar los retos de desarrollar el bastidor de carga multiaxial, el equipo de desarrollo de VULCAN eligió asociarse con MTS por dos razones principales: experiencia y capacidades de personalización.
"Uno de nuestros principales criterios de compra incluyó una capacidad demostrada para comprender y resolver creativamente problemas únicos de pruebas mecánicos”, afirma Amy Black, ingeniera principal de ORNL en el proyecto VULCAN. "MTS destacó claramente en este aspecto, con un largo historial de éxitos que lo demuestran".
"Docenas de sistemas de prueba MTS se utilizan también en otras áreas de las instalaciones del ORNL, y las reacciones de estos grupos han sido unánimemente positivas ", añadió el Dr. Wang.
En junio de 2010, el difractómetro VULCAN estará totalmente operativo, con un bastidor de carga MTS multiaxial único en su género que será la pieza central funcional y visual de la instalación. Con un flujo sin precedentes y una instrumentación avanzada, el instrumento permitirá realizar estudios de carga volumétrica de materiales en el lugar de forma extremadamente rápida, incluida la capacidad de estudiar los comportamientos cinéticos en tiempos inferiores a un segundo.
Los estudios en el lugar incluyen la distribución de la temperatura , los cambios de textura y el desarrollo de la tensión y la precipitación, tanto en entornos de funcionamiento de muy alta temperatura como criogénicos. El sistema VULCAN también facilita la caracterización simultánea de la dilatometría, el peso y la microestructura, lo que permite obtener una imagen muy precisa y detallada del estado atómico de un material en cualquier momento.
BENEFICIOS PARA EL CLIENTE
"El difractómetro VULCAN supondrá un avance importante en el conocimiento de la ciencia de los materiales; sus usos potenciales son infinitos", afirma el Dr. Liaw. "Sus capacidades serán especialmente útiles en un momento en el que se están desarrollando muchos materiales nuevos y desconocidos para abordar los problemas más urgentes del mundo, incluidos los problemas relacionados con la energía".
"Estamos a la vanguardia de la industria y durante el desarrollo de VULCAN hemos abierto nuevos caminos en casi todas las etapas", indica Black. “MTS era una de las pocas empresas que podía afrontar de forma creativa estos formidables retos de ingeniería. Nuestra colaboración con UT y MTS ha reunido experiencia y conocimientos en una amplia variedad de campos y el resultado es un bastidor de carga multiaxial único que complementará y mejorará el difractómetro de ingeniería de VULCAN en el SNS".