Pode ser difícil acreditar que frágil, pedaços ultrafinos de material tão leves quanto uma pena e do tamanho de um chiclete podem ter um impacto enorme em milhares de experimentos com nêutrons a cada ano. Mas esses filmes especializados, conhecidas como folhas de stripper de diamante, desempenham um papel impressionante na Fonte de Nêutrons de Espalação do Laboratório Nacional Oak Ridge.

O SNS, um Departamento de Energia Office of Science User Facility, não poderia operar sem as folhas, que retira elétrons em um processo que resulta na criação de um poderoso pulso de próton usado para produzir nêutrons para pesquisas em ciência de materiais.

Mike Plum, líder da equipe de física do acelerador e gerente da área do anel, explicou o papel do florete. Íons de hidrogênio carregados negativamente, cada um contendo um próton e dois elétrons, viajar através do acelerador linear. A folha tira os elétrons do próton, depositando-os em um coletor de elétrons. O feixe de prótons restante se move para o anel acumulador e circula 1, 000 vezes enquanto novos prótons se juntam ao aglomerado.

"Imagine que você tem um trem de 1, 000 vagões de carga, "Plum disse." Se você pegar o primeiro vagão e injetá-lo no anel, quando ele volta ao ponto de partida, o segundo vagão entra e vai em cima dele, e então vem o terceiro. Então, você pegou um trem que é 1, 000 vagões de carga e transformou-o em um trem que tem um vagão de comprimento, mas 1, 000 vagões de carga de altura. "

Uma vez que os prótons giratórios geram energia suficiente para o espalhamento ideal de nêutrons, o anel de armazenamento libera um pulso de próton intenso para atingir o alvo de mercúrio do SNS, fazendo com que os nêutrons se "espalhem" ou saltem em todas as direções. A fragmentação resultante pode ser aproveitada canalizando os nêutrons em guias de feixe que conduzem a instrumentos especializados onde os pesquisadores conduzem experimentos para estudar materiais.

As películas separadoras permitem que a equipe do SNS manipule o feixe para minimizar a perda do feixe que desperdiça partículas valiosas e atrapalha o processo geral.

"Em vez de o feixe ser longo e fino, queremos torná-lo curto e denso, "Plum disse." A única maneira prática de fazer isso é usando folhas de stripper.

Como as folhas desempenham um papel essencial nas operações diárias, um design de produto superior e um processo de produção simplificado são de fundamental importância. Ambos os fatores requerem atenção aos detalhes e uma abordagem continuamente atualizada, fazendo da produção um aprendizado constante.

A fabricação ocorre no Laboratório de Pesquisa de Nanofabricação, ou NRL, uma instalação de sala limpa no Centro de Ciências de Materiais Nanofásicos do ORNL. Os benefícios desta localização incluem a proximidade com o SNS e equipamentos mais avançados, levando a um aumento na produção de folhas.

"Essas folhas têm características únicas de película que lhes conferem uma vida útil incomumente longa em correntes de feixe relativamente altas, dois parâmetros essenciais para a operação bem-sucedida do SNS, "disse Dayrl Briggs, Líder de operações técnicas da NRL no CNMS.

Apesar da fragilidade das folhas, eles são capazes de suportar condições intensas de feixe de íons. Cada folha individual é muito fina, medindo cerca de 1 micrômetro de espessura. Se eles fossem mais grossos, o feixe de prótons seria significativamente enfraquecido ao passar pela folha, o que complicaria o processo.

"As películas de stripper estão no limite do que é tecnologicamente possível, "Plum disse." Eles ficam tão quentes e tão abatidos pelas condições do feixe que é um verdadeiro desafio fazer com que nossas películas de stripper durem. "

Contudo, a barragem contínua de pulsos de íons não é a única ameaça à usabilidade.

"Essas folhas são muito sensíveis a qualquer tipo de movimento de ar ou choque mecânico, "disse Chris Luck, quem pesquisa, cotações, e recomenda folhas para uso em SNS. "Cada folha é única, então eu estudo cada um para ter certeza de que não há lágrimas ou outras imperfeições. "

A equipe de foil foi recentemente homenageada com um prêmio UT-Battelle pelo sucesso geral do empreendimento e por seu compromisso em melhorar a produção e desempenho de foil. Seu projeto de modernização de desenvolvimento de folha envolveu mudanças logísticas, como a obtenção de uma ferramenta de deposição química de vapor de microondas que foi especificada, construído, testado e instalado no NRL.

Os membros da equipe incluem Michael Baumgartner, Michael Plum, Chris Luck, e Jeremy Price do SNS e Dayrl Briggs, Dale Hensley, Kevin Lester, Scott Retterer, Bernadeta R. Srijanto, e Leslie Wilson do CNMS. Plum também citou as contribuições cruciais de Robert Shaw, da Divisão de Ciências Químicas do laboratório, que liderou a equipe de produção da folha original.

Briggs deseja que as folhas tenham uma vida útil mais longa e melhor confiabilidade no futuro. Para atingir esses objetivos, a equipe precisará entender melhor a estrutura e o desempenho da folha de diamante. Além disso, ele explicou, a equipe executou testes para garantir que as novas folhas sejam uniformes, usando filmes existentes como base para aumentar a eficiência.

"A capacidade de processar duas amostras por vez, além de dobrar nosso rendimento, nos permite instalar uma amostra no feixe de nêutrons SNS e estudar a outra como uma amostra testemunha, "Briggs disse." Podemos então correlacionar o desempenho no feixe às características do filme. "

Enquanto a equipe continua a aprimorar o processo de fabricação de folhas em NRL, A Plum antecipa melhorias adicionais nas folhas devido aos vastos recursos tecnológicos da instalação.

"Eles têm algumas ferramentas bastante avançadas no CNMS, "Plum disse." Estaremos usando essas ferramentas para descobrir como tornar nossas películas de stripper ainda melhores. "