Kleinste details zichtbaar gemaakt door vernieuwde ROG Neutronenreflectometer

Vandaag is de 'nieuwe' ROG neutronenreflectometer bij het TU Delft Reactor Institute officieel geopend. Het instrument toont de structuur en samenstelling van dunne lagen en interfaces van materialen. De opening is een belangrijke stap voor wetenschappers die werken aan betere prestaties en duurzaamheid voor een breed scala van producten, variërend van de levensduur van batterijen voor auto's en telefoons tot zonnecellen, eiwitten en tandheelkundige implantaten. Zij zullen materialen nog gedetailleerder kunnen bestuderen. 

De ROG neutronenreflectometer is een 8 m lange experimentele opstelling die meet hoe neutronen worden gereflecteerd door vlakke oppervlakken en interfaces met als doel informatie te verschaffen over de dikte, samenstelling en ruwheid van extreem dunne films en andere gelaagde structuren. Het kan worden gebruikt om een of meerdere lagen van materialen met een dikte van 5 - 150 nm te bestuderen en details tot op 0,2 nm zichtbaar te maken, d.w.z. ongeveer 1 miljoenste van de dikte van een menselijke haar, op te lossen. 

Toepassingen van de reflectometer zijn te vinden in vele wetenschappelijke en technische domeinen. De reflectometer kan bijvoorbeeld worden gebruikt om te bestuderen hoe interfaces in batterijmaterialen degraderen wanneer batterijen worden gebruikt om hun levensduur en capaciteit te verbeteren. Dit zou dan resulteren in een groter bereik voor elektrische auto's met een groter bereik en een langere levensduur van zo'n batterij. Andere toepassingen zijn de studie van antibacteriële coatings voor tandheelkundige implantaten om infecties bij het plaatsen van dergelijke implantaten te voorkomen, materialen waarmee de kleinste lekken van waterstof kunnen worden opgespoord en speciale lagen die de efficiëntie van zonnecellen kunnen verbeteren zodat één zonnepaneel meer energie kan produceren uit dezelfde hoeveelheid zonlicht.  

Koele upgrade 
Als onderdeel van het Oyster-project dat de mogelijkheden voor onderzoek met de Delftse Onderzoekreactor wil verbeteren en uitbreiden, is de reflectometer opgewaardeerd, verplaatst en aangepast om te functioneren in combinatie met een 'koude' neutronenbron die als onderdeel van dit project wordt geïnstalleerd. Deze ‘koude‘neutronenbron is in feite een zeer koude vriezer voor neutronen: hij koelt de neutronen die worden geproduceerd door uraniumsplijting in de reactor af tot ongeveer -240 °C, waardoor de energie en de golflengte van het neutron zodanig veranderen dat de experimentele opstellingen beter presteren. Aan deze nieuwe situatie moest de reflectometer worden aangepast. Een team van meer dan tien ingenieurs en wetenschappers heeft de ‘oude’ neutronenreflectometer van ROG als uitgangspunt genomen om een verbeterde neutronenreflectometer te bouwen. Behalve het 7 m lange metalen hoofdframe is vrijwel elk onderdeel opnieuw ontworpen en vervangen en zijn nieuwe innovaties toegepast.

Kalibratie en testen succesvol afgerond
In het afgelopen jaar heeft het team de neutronenreflectometer met succes gekalibreerd en getest. Het harde werk, de innovatieve ideeën en de nauwkeurige engineering van het team hebben hun vruchten afgeworpen: Zelfs zonder de installatie van de koude bron is de intensiteit van het meetsignaal met een factor 6 toegenomen en is de achtergrond (aantal gedetecteerde neutronen die het meetsignaal verstoren) met een factor 50 verminderd in vergelijking met de vorige versie van de reflectometer. 

Prestaties met een factor 10 verbeterd
Hierdoor kunnen onderzoekers veel sneller en veel meer materialen meten, en vooral gegevens van hogere kwaliteit verkrijgen. Tijdens deze testfase zijn wetenschappers uit de hele wereld gekomen die hun materialen wilden meten en unieke inzichten in hun materialen wilden verwerven, waaronder wetenschappers uit Duitsland, het Verenigd Koninkrijk en Canada. Met deze uitgebreide testen is het project afgerond en is de reflectometer klaar voor de installatie van de koude neutronenbron: Zodra de koude bron is geïnstalleerd, zullen de prestaties van de reflectometer nog verder verbeteren, waarschijnlijk met minstens een factor 10. Na de stillegging voor de installatie van de koude bron zijn wetenschappers en bedrijven uit binnen- en buitenland welkom om de verbeterde reflectometer te gebruiken ten behoeve van hun onderzoek.

Wilt u meten bij het TU Delft Reactor Institute?
Klik hier voor meer informatie over de ROG Neutron Reflectometer.