Den beprövade strategin "dela och erövra" fick en ny, högteknologisk betydelse under neutronexperiment av forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory. De upptäckte att problemen de stötte på när de försökte 3D-printa en kollimator i ett stycke kunde lösas genom att istället utveckla en "Frankenstein-design" som involverade flera kroppsdelar – och några ganska uppenbara ärr.
Teamets artikel publiceras i tidskriften Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment .
Kollimatorer är viktiga komponenter som används vid neutronspridning. I likhet med röntgenstrålar används neutroner för att studera energi och materia på atomär skala. Neutronkollimatorer kan ses som trattar som hjälper till att styra neutroner mot en detektor efter att de interagerar med experimentella provmaterial. Dessa trattar tjänar främst till att minska antalet herrelösa neutroner som stör datainsamlingen, till exempel neutroner som sprider provhållare eller från andra apparater som används i experimentet, såsom högtrycksceller.
Under denna process kommer de flesta av de oönskade neutronerna, de som sprids från andra särdrag än provet, in i kanaler inuti kollimatorerna i udda vinklar och absorberas av kanalväggar, även kallade blad. Bladen fungerar som rännorna på en bowlingbana, som fångar bowlingklot som inte är på väg mot tapparna.
"Forskningstrenden mot att använda mindre prover av material i mer komplexa miljöer resulterar i ett större antal neutroner som inte interagerar med provet och som inte sprids från provet", säger Fahima Islam, studiens huvudförfattare och neutronikforskare vid ORNL:s Spallation Neutron Source, eller SNS.
"Dessa oönskade neutroner producerar oönskade signaturer i data, vilket är anledningen till att vi arbetade med att producera en 3D-utskriven kollimator som kunde specialdesignas för att filtrera bort dessa ovälkomna bakgrundsegenskaper under olika typer av neutronspridningsexperiment."
Teamet samarbetade med experter vid ORNL:s tillverkningsdemonstrationsanläggning, eller MDF, för att använda en 3D-utskriftsmetod som kallas binder jetting. Denna additiv tillverkningsprocess bygger delar och verktyg av pulveriserat material. Precis som vid utskrift på papper bygger precisionsprocessen delen lager för lager, baserat på en digital design, tills objektet är färdigt.
Ett hinder som teamet stod inför var att skala upp storleken på den tryckta kollimatorn samtidigt som den färdiga produktens noggrannhet bibehölls. En stor kollimator behövdes för att fånga ett större antal neutroner som spreds från provet och den komplexa tryckcellen som valts för testet. I en trycksatt miljö är provet inneslutet i en icke-transparent provbehållare, vilket gör att ett betydande antal oönskade neutroner sprids kraftigt på ett sätt som kan dominera den svagare datasignalen som forskarna söker efter.
"För att demonstrera lönsamheten med att använda specialbyggda, 3D-printade kollimatorer, bestämde vi oss för att använda ett mycket litet prov som fanns i en diamantstädcell - en högtryckskammare som använder diamanter för att pressa material. Vissa av dessa celler är så komplexa och starkt att de är kapabla att producera tryck som närmar sig de i jordens centrum", säger Bianca Haberl, studiens motsvarande författare och neutronspridningsforskare vid SNS.
"Faktum är att högtrycksceller är några av de mest komplexa miljöer som används i neutronexperiment, så det är en verklig utmaning att filtrera bort den enorma mängd oönskad cellspridning som de producerar."
De vetenskapliga principerna för att designa kollimatorer är i allmänhet väl förstått, så lagets första försök att 3D-skriva ut en kollimator för ett så litet prov innebar att man helt enkelt skulle skala upp den utskrivna delstorleken samtidigt som de kontinuerliga, fram-till-baksida blad som bildade kanalerna behölls. Binderjet 3D-skrivaren gjorde det möjligt att skriva ut versionen i ett stycke med dimensioner på cirka 12 gånger 9 gånger 9 tum, vilket maximerade kapaciteten att styra neutroner till detektorn samtidigt som den passade in i instrumentet.
Tyvärr försämrade komplexiteten i att skala upp 3D-utskriftsprocessen precisionen hos den utskrivna delen i en sådan grad att den inte var lämplig att använda på strållinjen.
"Att bara skala upp utskriften som en stor del med kontinuerliga blad var helt klart inte genomförbart utan att ytterligare optimera utskriftsprocessen", säger Garrett Granroth, medförfattare och neutronspridningsforskare på SNS. "Ett nytt koncept utvecklades därefter för att skriva ut flera mindre delar och sedan manuellt sätta ihop dem till en komplett kollimator. Den främsta anledningen till att använda mindre bitar är att sprickbildningen som observerades i den endelade designen främst berodde på variationer i materialets sammandragningshastighet under härdning och kylning. Genom att minska deras totala storlek kyldes de enskilda delarna mer enhetligt."
En design med alternativa blad med progressivt stramare blad, från den ände som är vänd mot provet till den ände som är vänd mot detektorn, användes istället. Denna konfiguration möjliggjorde en högre täthet av blad med reducerade kanalstorlekar och undvek vissa storleksrelaterade begränsningar för 3D-utskrift. Genom att säkerställa att bladen inte korsade en gräns mellan de enskilda delarna, var designen mindre känslig för felinriktning mellan delarna under monteringen.
Med detta tillvägagångssätt optimerade teamet kollimatorns prestanda genom att simulera hela experimentet med hjälp av avancerade beräkningsmetoder som utvecklats för projektet. Simuleringen gav en design som kunde gå direkt till produktion utan ytterligare ingenjörsarbete.
Den 3D-printade kollimatorn med alternativa blad bedömdes för prestanda på SNAP, Spallation Neutron and Pressure beamline, en dedikerad högtrycksneutrondiffraktometer. Experiment visade en extrem känslighet för kollimatorns inriktning, vilket betonade nödvändigheten av ultrahög precision vid kollimatortillverkning och positionering på strållinjen.
När kollimatorn väl var exakt inriktad, möjliggjorde den den önskade ökningen av den relativa provsignalen över cellspridningen, vilket bevisade konceptet. Forskarna identifierade också områden för framtida förfining, inklusive ytterligare förbättringar genom strängare tillverkningskvalitetskontroll och förbättrad anpassning. Genom att kombinera modellering och avancerad tillverkning har studien identifierat ett nytt sätt att anpassa instrumentering för neutronspridning och avancera neutronvetenskap.
Mer information: Fahima Islam et al, Avancerad tillverkning av 3D-anpassade borkarbidkollimatorer designade för komplexa miljöer för neutronspridning, Kärninstrument och metoder inom fysikforskning, avsnitt A:Acceleratorer, spektrometrar, detektorer och tillhörande utrustning (2024). DOI:10.1016/j.nima.2024.169165
Tillhandahålls av Oak Ridge National Laboratory
