橡树岭国家实验室新研究使3D打印一体式中子准直器成为可能
时间:2024-04-03 10:22 来源:南极熊 作者:admin 点击:次
2024年4月2日，橡树岭国家实验室（ORNL）的科学家们在进行中子实验时，采用一种名为“弗兰肯斯坦”的设计方法，可以解决他们在尝试3D打印一体式准直器时遇到的问题。
△弗兰肯斯坦是科幻小说中的人物名称，这里更多的表示非一个整体，而是拼装在一起的方式（注意看缝隙）
技术研发背景 准直器是中子散射实验中的重要组成部分。类似于X射线，中子被用于研究原子尺度的能量和物质。中子准直器的作用类似于漏斗，它帮助将中子引导到探测器上，以便中子与实验样品材料相互作用后进行检测。这些漏斗的主要功能是减少干扰数据采集的杂散中子数量，例如来自样品架外部或实验中其他仪器（如高压池）的中子散射。 在这个过程中，大部分不需要的中子以奇特的角度进入准直器内部的通道，并被通道壁（也称为叶片）吸收。叶片的作用类似于保龄球道上的排水沟，可以捕捉那些没有飞向保龄球瓶的保龄球。 
△开发3D打印准直器的团队包括（左起）Fahima Islam、Bianca Haberl和Garrett Granroth
橡树岭国家实验室散裂中子源(SNS)的中子学科学家Fahima Islam说：“研究趋势是在更复杂的环境中使用更小的材料样品，这导致更多的中子没有与样品发生相互作用，也没有从样品中散射出来。” Islam补充道：“这些不受欢迎的中子会在数据中产生不受欢迎的特征。这就是我们致力于生产一种3D打印准直器的原因，这种准直器可以定制设计，以便在不同类型的中子散射实验中过滤掉这些不受欢迎的背景特征。” 
△研究小组的论文发表在《核仪器与物理研究方法》杂志上，研究题目为“先进制造3D定制碳化硼准直器，专为复杂的中子散射环境而设计”（传送门）
3D打印定制碳化硼准直器 该团队与橡树岭国家实验室制造示范设施（MDF）的专家合作，使用一种名为粘合剂喷射的3D打印方法。这种增材制造工艺利用粉末材料制造零件和工具。类似于在纸上打印，这种精密工艺根据数字设计一层一层地制造零件，直到物体完成。 团队面临的一个障碍是在保持成品精度的同时，扩大打印准直器的尺寸。需要一个大型准直器来捕获更多从样品和测试所选的复杂压力池散射出来的中子。在加压环境中，样品被封装在一个不透明的样品容器中，这会导致大量不需要的中子发生强烈散射，从而干扰科学家正在寻找的较弱数据信号。 SNS的中子散射科学家Bianca Haberl解释说：“为了证明使用定制的3D打印准直器的可行性，我们决定使用一个装在金刚石砧单元中的非常小的样品，该单元是使用金刚石挤压材料的高压室。其中一些电池非常复杂和坚固，能够产生接近地球中心的压力。” 她强调：“事实上，高压电池是中子实验中使用的一些最复杂的环境，因此要过滤掉它们产生的大量不需要的电池散射是一个真正的挑战。” 
△3D打印的“弗兰肯斯坦设计”准直器的图像显示了各个部件连接处的“疤痕”，在图片中清晰可见
在设计上遇到的问题 设计准直器的科学原理一般都很好理解，因此研究小组首次尝试为如此小的样品3D打印准直器时，只需扩大打印部件的尺寸，同时保留形成通道的前后连续叶片即可。粘合剂喷射3D打印机能够打印出尺寸约为12 x 9 x 9英寸的一体式版本，从而最大限度地提高了将中子引导至探测器的能力，同时还能装入仪器。 遗憾的是，扩大3D打印工艺的复杂性影响了打印部件的精度，以至于不适合在光束线上使用。 中子散射科学家Garrett Granroth说：“如果不进一步优化打印过程，仅仅将打印放大为一个带有连续叶片的大型部件显然是不可行的。随后，我们提出了一个新概念，即打印多个较小的部件，然后手动将它们组装成一个完整的准直器。使用较小部件的主要原因是，在单部件设计中观察到的裂纹，主要是由于固化和冷却过程中材料收缩率的变化造成的。通过减小整体尺寸，单个部件的冷却更加均匀。” 该团队采用了一种交替叶片设计，从面向样品的一端到面向探测器的一端，叶片逐渐收紧。这种配置可以在减小通道尺寸的同时提高叶片密度，并避免了一些与尺寸相关的3D打印限制。通过确保叶片不跨越单个部件之间的边界，该设计对组装过程中部件之间的错位不那么敏感。 
测试结果 采用这种方法后，团队利用为该项目开发的先进计算方法对整个实验进行了模拟，从而优化了准直器的性能。模拟生成的设计可直接投入生产，无需额外的工程设计。 3D打印的交替叶片准直器在专用高压中子衍射仪SNAP（Spallation Neutron and Pressure beamline）上进行了性能评估。实验表明，准直器的对准极为敏感，这就强调了准直器制造和在光束线上定位的超高精度的必要性。 一旦准直器精确对准，它就能使相对样品信号的增加超过电池散射，从而证明了这一概念。科学家们还确定了未来需要改进的领域，包括通过更严格的制造质量控制和改进对准来进一步提高性能。通过将建模和先进制造技术相结合，这项研究找到了一种定制中子散射仪器和推动中子科学发展的新方法。 (责任编辑：admin) |