Los neutrones son componentes no cargados de los átomos y penetran bien en los materiales, desviándose únicamente de los núcleos de los átomos. La acumulación estadística de neutrones desviados en diferentes posiciones más allá de la muestra se puede utilizar para encontrar la estructura de un material, y la pérdida o ganancia de energía por neutrones puede revelar el comportamiento dinámico de partes de una muestra, por ejemplo, procesos difusivos en sólidos. En ISIS, los neutrones se crean acelerando "racimos" de protones en un sincrotrón , para luego colisionarlos con un objetivo de metal de tungsteno pesado , bajo una carga de enfriamiento constante para disipar el calor de un haz de protones de 160 kW. Los impactos hacen que los neutrones se desprendan de los átomos de tungsteno y los neutrones se canalizan a través de guías, o líneas de haz , a unos 20 instrumentos, cada uno optimizado individualmente para el estudio de diferentes tipos de interacciones entre el haz de neutrones y la materia. La estación del objetivo y la mayoría de los instrumentos están ubicados en una gran sala. Los neutrones son una forma peligrosa de radiación, por lo que el objetivo y las líneas de haz están fuertemente protegidos con hormigón. [ cita requerida ]
La fuente de neutrones y muones de ISIS produce muones al hacer colisionar una fracción del haz de protones con un objetivo de grafito , lo que produce piones que se desintegran rápidamente en muones, que se envían en un haz polarizado por espín a estaciones de muestreo. [ cita requerida ]
Historia
La fuente fue aprobada en 1977 para el emplazamiento de RAL en el campus de Harwell y recicló componentes de programas científicos anteriores del Reino Unido, incluida la sala del acelerador que había estado ocupada anteriormente por el acelerador Nimrod . El primer haz se produjo en 1984 y la instalación fue inaugurada formalmente por la entonces Primera Ministra Margaret Thatcher en octubre de 1985. [2] [1] [3]
El nombre ISIS no es un acrónimo: hace referencia a la diosa del Antiguo Egipto y al nombre local del río Támesis . El nombre fue seleccionado para la inauguración oficial de la instalación en 1985, antes de esto se conocía como SNS, o fuente de neutrones por espalación. El nombre se consideró apropiado ya que Isis era una diosa que podía devolver la vida a los muertos, e ISIS hizo uso de equipos previamente construidos para los aceleradores Nimrod y NINA .
La segunda estación de referencia recibió financiación en 2003 de manos de Lord Sainsbury , entonces ministro de Ciencia, y se completó en 2009, a tiempo y dentro del presupuesto, con la inauguración de 7 instrumentos. En marzo de 2011, el ministro de Ciencia , David Willetts , realizó una inversión de 21 millones de libras [4] para construir 4 nuevos instrumentos, que ahora están todos en su fase de puesta en servicio o instrumentos totalmente programados. [1]
Originalmente se esperaba que la fuente de neutrones y muones de ISIS tuviera una vida útil de 20 años (1985 a 2005), pero su éxito continuo condujo a un proceso de renovación y mayores inversiones, destinado a hacer avanzar la instalación y extender la vida útil de ISIS hasta 2030. [5]
Según su Informe Anual de 2017 a 2018, el STFC espera que la fuente de neutrones pulsados de ISIS y la estación de segundo objetivo asociada dejen de funcionar en 2040 y prevé que su desmantelamiento llevará 55 años. El coste de la eliminación de residuos radiactivos podría oscilar entre 9 y 16 millones de libras esterlinas. [6] : 51
Ciencia
El Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología (anteriormente CCLRC ) administra y opera la Fuente de Neutrones y Muones de ISIS . El Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología, o STFC, es parte de Investigación e Innovación del Reino Unido. El tiempo experimental está abierto a los usuarios académicos de los países financiadores y se solicita a través de una "convocatoria de propuestas" dos veces al año. La asignación de investigación, o "tiempo de haz", se asigna a los solicitantes a través de un proceso de revisión por pares. Los usuarios y sus instituciones matrices no pagan los costos de funcionamiento de la instalación, que son de hasta £ 11,000 por instrumento por día. Los costos de transporte y alojamiento están cubiertos para aquellos asociados con universidades del Reino Unido. La mayoría de los usuarios se alojan en Ridgeway House, un hotel cerca del sitio, o en Cosener's House , un centro de conferencias administrado por STFC en Abingdon . Cada año se completan más de 600 experimentos por 1600 usuarios.
Un gran número de personal de apoyo opera las instalaciones, ayuda a los usuarios y lleva a cabo investigaciones. La sala de control está atendida las 24 horas del día, todos los días del año. Los científicos de los instrumentos supervisan el funcionamiento de cada uno de ellos y se relacionan con los usuarios, y otras divisiones proporcionan el entorno de muestra, el análisis de datos y la experiencia informática, mantienen el acelerador y llevan a cabo programas educativos. ISIS es también una de las pocas instalaciones de neutrones que cuenta con un importante grupo de detectores que investiga y desarrolla nuevas técnicas para la recopilación de datos.
La construcción de una segunda estación objetivo (TS2) comenzó en 2003, y los primeros neutrones fueron entregados al objetivo el 14 de diciembre de 2007. [7] TS2 utiliza neutrones de baja energía para estudiar materia condensada blanda , sistemas biológicos, compuestos avanzados y nanomateriales .
Los instrumentos que se encuentran actualmente en la fuente de neutrones y muones de ISIS son: [10]
Estación de destino 1
Sala experimental de la fuente de neutrones y muones de ISIS Estación de destino 1
Alf es una instalación de alineación de cristales.
Crisp es un reflectómetro de neutrones diseñado para estudios de alta resolución de una amplia gama de fenómenos interfaciales.
Engin-X es un difractómetro de neutrones optimizado para la medición de la deformación y, por tanto, la tensión, en las profundidades de un material cristalino.
Gem es un difractómetro de neutrones que puede realizar experimentos de alta intensidad y alta resolución para estudiar la estructura de materiales desordenados y polvos cristalinos.
Hrpd es un difractómetro de neutrones que es uno de los difractómetros de neutrones en polvo de mayor resolución de su tipo en el mundo.
Ines es un difractómetro de polvo de neutrones, construido y gestionado por el Consejo Nacional de Investigación italiano (CNR) dentro del acuerdo de cooperación con el STFC.
Iris es un espectrómetro de neutrones, diseñado para espectroscopia inelástica de alta resolución, cuasielastética y de baja energía.
LOQ es un instrumento de dispersión de neutrones de ángulo pequeño que se utiliza para investigar la forma y el tamaño de moléculas grandes, partículas pequeñas o materiales porosos con dimensiones típicamente en el rango de 1 a 100 nm.
Maps es un espectrómetro de neutrones, diseñado principalmente para abordar excitaciones magnéticas y estructurales en monocristales.
MARI es un espectrómetro de neutrones, ideal para el estudio de densidades de fonones de estados en sistemas cristalinos y desordenados, y excitaciones de campos cristalinos en materiales magnéticos.
Merlin es un espectrómetro de neutrones con una alta tasa de conteo, resolución de energía media y espectrómetro chopper de geometría directa.
Osiris se puede utilizar como espectrómetro de neutrones o difractómetro. Está optimizado para estudios de difracción de muy baja energía y de longitud de onda larga.
Pearl es un difractómetro de neutrones dedicado a la difracción de polvo a alta presión.
Polaris es un difractómetro de neutrones optimizado para la caracterización rápida de estructuras, el estudio de pequeñas cantidades de materiales, la recopilación de conjuntos de datos en tiempo rápido y los estudios de materiales en condiciones no ambientales.
Rotax se utiliza para pruebas de detectores y equipos.
Otra vista de la sala experimental de la fuente de neutrones y muones de ISIS, Target Station 1
SANDALS es un difractómetro de neutrones especialmente construido para investigar la estructura de líquidos y materiales amorfos.
SURF es un reflectómetro de neutrones uno de los instrumentos líderes en el mundo para la investigación de interfaces líquidas.
SXD es un difractómetro de neutrones que es potente en aplicaciones que involucran estudios del espacio recíproco, como transiciones de fase y estructuras inconmensurables, y también en aplicaciones donde la orientación de la muestra puede estar restringida.
Tosca es un espectrómetro de neutrones optimizado para el estudio de vibraciones moleculares en estado sólido.
Vesuvio es un espectrómetro de neutrones que utiliza la alta intensidad de los neutrones en el rango de energía eV (neutrones epitermales) para separar en masa los espectros en una colección de distribuciones de momento nuclear.
EMU es un espectrómetro μSR, optimizado para mediciones de campo cero y campo longitudinal.
MuSR es un espectrómetro μSR que se puede girar 90 grados para permitir realizar mediciones tanto longitudinales como transversales.
HIFI es un instrumento de muones de alto campo que proporciona campos longitudinales aplicados de hasta 5T.
Argus es un espectrómetro de muones para estudios moleculares y de materia condensada.
CHRONUS es un instrumento de muones en la instalación de muones RIKEN-RAL, de propiedad japonesa.
Segunda estación objetivo de la fuente de neutrones y muones de ISIS.
Estación de destino 2
Instrumento de irradiación de chip ChipIR dedicado a la irradiación de microelectrónica con neutrones similares a los atmosféricos.
IMAT es un instrumento de difracción y obtención de imágenes de neutrones para la ciencia, el procesamiento y la ingeniería de materiales.
Inter es un reflectómetro de interfaces químicas de alta intensidad que ofrece una instalación única para el estudio de una variedad de interfaces aire/líquido, líquido/líquido, aire/sólido y líquido/sólido.
Larmor es un instrumento flexible de dispersión de neutrones de ángulo pequeño que ha sido optimizado para el desarrollo de nuevas técnicas de dispersión de neutrones que utilizan la precesión de neutrones de Larmor para codificar energía o dirección.
LET es un espectrómetro de neutrones optimizado para el estudio de la dinámica de la materia condensada para comprender el origen microscópico de las propiedades de los materiales.
NIMROD es un difractómetro de neutrones diseñado para acceder a escalas de longitud que van desde la interatómica (< 1 Å) hasta la mesoscópica (>300 Å).
Offspec es un reflectómetro de neutrones que proporciona acceso a escalas de longitud nanométricas paralelas y perpendiculares a las interfaces.
Polref es un reflectómetro de neutrones diseñado para el estudio del ordenamiento magnético en y entre las capas y superficies de materiales de película delgada.
Sans2d es un instrumento de dispersión de neutrones de ángulo pequeño que se puede utilizar para examinar el tamaño, la forma, la estructura interna y la disposición espacial en nanomateriales, "materia blanda" y sistemas coloidales, incluidos los de origen biológico, en escalas de longitud de entre* 0,25 y 300 nm.
Wish es un difractómetro de neutrones diseñado para la difracción de polvos con espaciado d largo en sistemas de celdas unitarias grandes y magnéticos, con la opción de permitir experimentos con haces polarizados y de cristal único.
Zoom es un instrumento de dispersión de ángulo pequeño, flexible y de alta tasa de conteo.
En la cultura popular
El episodio final de la primera temporada de Sparticle Mystery se filmó en el lugar. El sitio también se menciona en el libro Itch Rocks . [11]
Referencias
^ abc "Revisión anual 2017 de las fuentes de neutrones y muones de ISIS" (PDF) . 18 de diciembre de 2017. Consultado el 17 de abril de 2018 .
^ D. Findlay. "Linacs en el Laboratorio Rutherford Appleton". STFC ePubs . UKRI. Archivado (PDF) desde el original el 2006-06-29 . Consultado el 2021-05-03 .
^ "Instrumentos de la fase dos" . Consultado el 17 de julio de 2012 .
^ "Estudio del impacto de ISIS en la vida, volumen 1: informe completo". stfc.ukri.org . Noviembre de 2016 . Consultado el 17 de abril de 2018 .
^ Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas (julio de 2018). Informe y cuentas anuales 2017-18 . pág. 91. OCLC 1053748833.
^ Proyecto de segunda estación objetivo de ISIS Archivado el 21 de septiembre de 2005 en Wayback Machine .
^ Thomason, JWG (2019). "La fuente de neutrones y muones por espalación de ISIS: los primeros treinta y tres años". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física . A917 (1): 61–67. Bibcode :2019NIMPA.917...61T. doi : 10.1016/j.nima.2018.11.129 .
^ McDonald, K. "Informe del Grupo de trabajo internacional sobre líneas de haz de muones" (PDF) . Muon Collider Targetry and Phase Rotation (NuFACT'01) . Archivado (PDF) desde el original el 2006-09-11 . Consultado el 3 de mayo de 2021 .
^ "Página de instrumentos de ISIS" . Consultado el 17 de abril de 2018 .
