_ „Design Frankenstein” permite colimatorul de neutroni imprimat 3D

Strategia testată în timp de „împărți și cuceri” a căpătat o nouă semnificație, de înaltă tehnologie, în timpul experimentelor cu neutroni efectuate de oamenii de știință de la Laboratorul Național Oak Ridge al Departamentului de Energie. Ei au descoperit că problemele cu care s-au confruntat în încercarea de a imprima 3D a unui colimator dintr-o singură piesă ar putea fi rezolvate prin dezvoltarea unui „design Frankenstein” care implică mai multe părți ale corpului – și câteva cicatrici destul de evidente.

Hârtia echipei este publicat în revista Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment.

Colimatorii sunt componente importante utilizate în împrăștierea neutronilor. Similar cu razele X, neutronii sunt folosiți pentru a studia energia și materia la scară atomică. Colimatoarele de neutroni pot fi considerate ca niște pâlnii care ajută la ghidarea neutronilor către un detector după ce interacționează cu materialele experimentale ale probei. Aceste pâlnii servesc în primul rând la reducerea numărului de neutroni rătăciți care interferează cu colectarea datelor, de exemplu, neutroni care împrăștie suporturile de probe sau din alte aparate utilizate în experiment, cum ar fi celulele de înaltă presiune.

În timpul acest proces, majoritatea neutronilor nedoriți, cei care se împrăștie din alte caracteristici decât eșantionul, intră în canalele din interiorul colimatoarelor la unghiuri ciudate și sunt absorbiți de pereții canalelor, denumite și lame. Lamele acționează ca jgheaburile de pe o pistă de bowling, care captează mingi de bowling care nu sunt îndreptate către ace.

„Tendința cercetării de a folosi mostre mai mici de materiale în medii mai complexe are ca rezultat un număr mai mare de neutroni care nu au interacționat cu eșantionul și nu se împrăștie din eșantion”, a spus Fahima Islam, autorul principal al studiului și om de știință în neutronică la Spallation Neutron Source de la ORNL, sau SNS.

„Acești neutroni nedoriți produc. semnături nedorite în date, motiv pentru care lucram la producerea unui colimator imprimat 3D care ar putea fi proiectat personalizat pentru a filtra aceste caracteristici de fundal nedorite în timpul diferitelor tipuri de experimente de împrăștiere a neutronilor.”

Echipa a colaborat cu experți de la ORNL Manufacturing Demonstration Facility, sau MDF, pentru a utiliza o metodă de imprimare 3D numită binder jetting. Acest proces de fabricație aditivă construiește piese și unelte din materiale sub formă de pulbere. Similar cu imprimarea pe hârtie, procesul de precizie construiește partea strat cu strat, pe baza unui design digital, până când obiectul este complet.

Un obstacol cu ​​care se confruntă echipa a implicat mărirea dimensiunii colimatorului imprimat în timp ce mentinerea acuratetii produsului finit. A fost necesar un colimator mare pentru a capta un număr mai mare de neutroni împrăștiați din probă și din celula de presiune complexă aleasă pentru test. Într-un mediu presurizat, proba este închisă într-un recipient netransparent, ceea ce face ca un număr semnificativ de neutroni nedoriți să se împrăștie puternic într-un mod care poate domina semnalul de date mai slab pe care îl caută oamenii de știință.

" Pentru a demonstra viabilitatea utilizării colimatoarelor personalizate, imprimate 3D, am decis să folosim o probă foarte mică, conținută într-o celulă de nicovală de diamant - o cameră de înaltă presiune care folosește diamante pentru a stoarce materiale. Unele dintre aceste celule sunt atât de complexe și puternice că sunt capabile să producă presiuni care se apropie de cele din centrul Pământului”, a spus Bianca Haberl, autorul corespondent al studiului și om de știință în împrăștierea neutronilor la SNS.

„De fapt, celulele de înaltă presiune sunt unele dintre cele mai complexe medii utilizate în experimentele cu neutroni, deci este o adevărată provocare să filtrezi cantitatea uriașă de împrăștiere celulară nedorită pe care o produc.”

Principiile științifice pentru proiectarea colimatoarelor sunt în general bine înțelese, așa că prima încercare a echipei de a imprima 3D a unui colimator pentru un eșantion atât de mic a implicat pur și simplu mărirea dimensiunii piesei imprimate, păstrând în același timp continuu, din față spre lamele din spate care formau canalele. Imprimanta 3D cu jet de liant a permis imprimarea versiunii dintr-o singură bucată la dimensiuni de aproximativ 12 pe 9 pe 9 inci, ceea ce a maximizat capacitatea de a direcționa neutronii către detector în timp ce încă se potriveau în instrument.

Din păcate, complexitatea extinderii procesului de imprimare 3D a afectat precizia piesei imprimate într-o măsură atât de mare încât nu era potrivită pentru utilizare pe linia fasciculului.

„Pur și simplu mărirea la scară a imprimării ca o singură parte mare cu lame continue. în mod clar nu era fezabilă fără a optimiza în continuare procesul de imprimare”, a declarat Garrett Granroth, coautor și om de știință în împrăștierea neutronilor la SNS. „Un nou concept a fost dezvoltat ulterior pentru a imprima mai multe piese mai mici și apoi a le asambla manual într-un colimator complet. Motivul principal pentru utilizarea pieselor mai mici este că fisurarea observată în proiectarea dintr-o singură piesă s-a datorat în primul rând variațiilor ratei de contracție a materialului. în timpul procesului de întărire și răcire. Prin reducerea dimensiunii lor totale, piesele individuale s-au răcit mai uniform."

Un design alternativ cu lame cu lame progresiv mai strânse, de la capătul îndreptat spre eșantion până la capătul îndreptat către detector , a fost folosit în schimb. Această configurație a permis o densitate mai mare a lamelor cu dimensiuni reduse ale canalelor și a evitat unele limitări legate de dimensiunea imprimării 3D. Asigurându-se că lamele nu traversează granița dintre părțile individuale, designul a fost mai puțin sensibil la dezalinierea dintre piese în timpul asamblării.

Folosind această abordare, echipa a optimizat performanța colimatorului prin simularea întregului experiment folosind metode de calcul avansate dezvoltate pentru proiect. Simularea a produs un design care ar putea merge direct în producție, fără inginerie suplimentară.

Colimatorul cu lamă alternativă imprimat 3D a fost evaluat pentru performanță pe SNAP, linia de lumină Spallation Neutron and Pressure, un neutron dedicat de înaltă presiune. difractometru. Experimentele au relevat o sensibilitate extremă la alinierea colimatorului, subliniind necesitatea unei precizii ultraînalte în fabricarea și poziționarea colimatorului pe linia fasciculului.

Odată ce colimatorul a fost aliniat cu precizie, a permis creșterea dorită a semnalului eșantionului relativ peste împrăștierea celulelor, dovedind conceptul. Oamenii de știință au identificat, de asemenea, domenii pentru rafinarea viitoare, inclusiv îmbunătățiri ulterioare prin controlul mai strict al calității producției și o aliniere îmbunătățită. Prin combinarea modelării și a producției avansate, studiul a identificat un nou mijloc de personalizare a instrumentelor de împrăștiere a neutronilor și de promovare a științei neutronilor.

(Fluierul)