能夠直接看到材料的原子結(jié)構(gòu)，為加速設(shè)計(jì)和提高未來(lái)技術(shù)的性能提供了關(guān)鍵信息，在真實(shí)空間中可視化材料的行為和動(dòng)力學(xué)需要強(qiáng)大的探針和先進(jìn)的儀器，我們中國(guó)的散裂中子源也是很強(qiáng)大的！現(xiàn)在美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的散裂中子源已經(jīng)開(kāi)始建造最先進(jìn)的中子成像儀器金星(VENUS)。

該儀器將為實(shí)時(shí)研究各種功能材料在不同環(huán)境下的組成和性能提供一個(gè)平臺(tái)。VENUS將受益于各種研究領(lǐng)域，包括能源相關(guān)材料的開(kāi)發(fā)(如電池、核燃料、生物燃料)。

先進(jìn)的工程材料(如合金、鋁及鋼、碳纖維、混凝土、玻璃等)，考古學(xué)和自然材料的研究，提供對(duì)地質(zhì)過(guò)程、生物學(xué)和植物生理學(xué)的見(jiàn)解。加上世界上最強(qiáng)大基于脈沖加速器的中子源SNS，VENUS將成為美國(guó)唯一一個(gè)開(kāi)放的研究設(shè)施平臺(tái)，為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的用戶提供飛行時(shí)間中子成像能力。中子在對(duì)物質(zhì)世界的理解中起著重要作用，科學(xué)家們用它們來(lái)研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)（從實(shí)驗(yàn)臺(tái)到原子尺度）因?yàn)橹凶哟┩感詮?qiáng)，不帶電荷，而且不具有破壞性。

這使得它們適合研究生物結(jié)構(gòu)、金屬應(yīng)力和缺陷，以及量子材料中的磁性行為。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)中子散射或從物質(zhì)中的原子上“彈回”時(shí)，它們會(huì)揭示出原子的位置和行為信息。另一方面，中子成像測(cè)量的是中子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)的透射率，從而產(chǎn)生中子x射線照片，就像臨床x射線一樣。ORNL儀器科學(xué)家，也是金星項(xiàng)目的首席開(kāi)發(fā)人員說(shuō)Hassina Bilheux：中子成像是一種對(duì)比——看到其他東西后面的東西，或者看到樣品的一邊和另一邊之間的差異。

例如，如果想看到鋰離子在電池中移動(dòng)，需要對(duì)比來(lái)隔離來(lái)自鋰離子的信號(hào)。在SNS建造金星束線將利用該設(shè)施加速器為基礎(chǔ)的中子源，并提供先進(jìn)的成像技術(shù)，補(bǔ)充目前在實(shí)驗(yàn)室的穩(wěn)態(tài)中子源，高通量同位素反應(yīng)堆可用的技術(shù)。SNS脈沖源加速器啟用了飛行時(shí)間技術(shù)，該技術(shù)使用時(shí)間戳中子，可以跨能量范圍進(jìn)行調(diào)整和預(yù)選。該技術(shù)提供了可調(diào)諧的對(duì)比度，必要的揭示結(jié)構(gòu)信息與低能量中子使用一種方法稱為布拉格邊緣成像。

還可以通過(guò)共振成像，利用高能中子精確定位樣品中的特定元素，從而更好地了解材料的功能特性和行為。例如，要區(qū)分銪、鉭、釓和鈾等某些重元素，就需要SNS提供的高能中子。用金星進(jìn)行測(cè)量將提供三維地圖，告訴我們一個(gè)樣品中重元素的位置，將能夠在不同的重元素之間切換。這種能力將極大地有利于優(yōu)化新型核材料的效率，這是能源部的優(yōu)先任務(wù)。金星計(jì)劃于2022年完工，預(yù)計(jì)到2023年為科學(xué)用戶準(zhǔn)備就緒，這些散裂源已經(jīng)在建造或目前正在運(yùn)行先進(jìn)的成像儀器。

為了滿足2023年的時(shí)間表，開(kāi)發(fā)人員正在使用SNAP衍射儀上的部分光束時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)成像軟件，并在金星發(fā)射前培訓(xùn)用戶社區(qū)。該儀器及其主要部件的設(shè)計(jì)也在進(jìn)行中。金星將使我們不僅能夠收集材料結(jié)構(gòu)的信息，而且能夠了解材料在施加壓力或熱量等載荷時(shí)的結(jié)構(gòu)變化，將能夠做更多的實(shí)驗(yàn)，獲得更快的結(jié)果，而無(wú)需使用多種成像設(shè)備。，美國(guó)能源部科學(xué)辦公室是美國(guó)物理科學(xué)基礎(chǔ)研究的最大支持者，正在努力解決我們這個(gè)時(shí)代一些最緊迫的挑戰(zhàn)。

博科園｜研究/來(lái)自：橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

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