„Frankenstein-Design“ ermöglicht 3D-gedruckten Neutronenkollimator

Die bewährte Strategie „Teile und herrsche“ erhielt durch Neutronenexperimente von Wissenschaftlern am Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums eine neue High-Tech-Bedeutung. Sie entdeckten, dass die Probleme, mit denen sie beim Versuch, einen einteiligen Kollimator in 3D zu drucken, konfrontiert waren, durch die Entwicklung eines „Frankenstein-Designs“ gelöst werden konnten, das mehrere Körperteile umfasste – und einige ziemlich offensichtliche Narben.

Das Papier des Teams ist veröffentlicht im Tagebuch Kerninstrumente und Methoden in der physikalischen Forschung, Abschnitt A: Beschleuniger, Spektrometer, Detektoren und zugehörige Ausrüstung.

Kollimatoren sind wichtige Komponenten der Neutronenstreuung. Ähnlich wie Röntgenstrahlen werden Neutronen zur Untersuchung von Energie und Materie auf atomarer Ebene verwendet. Neutronenkollimatoren kann man sich als Trichter vorstellen, die dabei helfen, Neutronen zu einem Detektor zu leiten, nachdem sie mit experimentellen Probenmaterialien interagiert haben. Diese Trichter dienen in erster Linie dazu, die Anzahl der Streuneutronen zu reduzieren, die die Datenerfassung stören, beispielsweise Neutronen, die an Probenhaltern oder anderen im Experiment verwendeten Geräten wie Hochdruckzellen gestreut werden.

Während dieses Prozesses dringen die meisten unerwünschten Neutronen, die an anderen Strukturen als der Probe gestreut werden, in ungewöhnlichen Winkeln in die Kanäle innerhalb der Kollimatoren ein und werden von den Kanalwänden, auch Schaufeln genannt, absorbiert. Die Schaufeln wirken wie die Rinnen einer Bowlingbahn und fangen Bowlingbälle auf, die nicht auf die Kegel zulaufen.

„Der Forschungstrend zur Verwendung kleinerer Materialproben in komplexeren Umgebungen führt zu einer größeren Anzahl von Neutronen, die nicht mit der Probe interagieren und nicht von der Probe gestreut werden“, sagte Fahima Islam, Hauptautorin der Studie und Neutronikwissenschaftlerin bei Die Spallations-Neutronenquelle (SNS) des ORNL.

„Diese unerwünschten Neutronen erzeugen unerwünschte Signaturen in den Daten, weshalb wir an der Herstellung eines 3D-gedruckten Kollimators gearbeitet haben, der individuell gestaltet werden kann, um diese unerwünschten Hintergrundmerkmale bei verschiedenen Arten von Neutronenstreuexperimenten herauszufiltern.“

Das Team arbeitete mit Experten der Manufacturing Demonstration Facility (MDF) des ORNL zusammen, um eine 3D-Druckmethode namens Binder Jetting zu verwenden. Bei diesem additiven Fertigungsverfahren werden Teile und Werkzeuge aus pulverförmigen Materialien hergestellt. Ähnlich wie beim Drucken auf Papier baut das Präzisionsverfahren das Teil Schicht für Schicht auf der Grundlage eines digitalen Entwurfs auf, bis das Objekt fertig ist.

Eine Hürde für das Team bestand darin, die Größe des gedruckten Kollimators zu vergrößern und gleichzeitig die Genauigkeit des Endprodukts beizubehalten. Um eine größere Anzahl von Neutronen einzufangen, die von der Probe gestreut werden, war ein großer Kollimator und die für den Test gewählte komplexe Druckzelle erforderlich. In einer unter Druck stehenden Umgebung ist die Probe in einem undurchsichtigen Probenbehälter eingeschlossen, was dazu führt, dass eine erhebliche Anzahl unerwünschter Neutronen stark gestreut wird und das schwächere Datensignal, nach dem Wissenschaftler suchen, dominieren kann.

„Um die Machbarkeit der Verwendung speziell angefertigter, 3D-gedruckter Kollimatoren zu demonstrieren, haben wir uns entschieden, eine sehr kleine Probe in einer Diamantambosszelle zu verwenden – einer Hochdruckkammer, in der Diamanten zum Auspressen von Materialien verwendet werden. Einige dieser Zellen sind sehr komplex.“ und stark, dass sie in der Lage sind, Drücke zu erzeugen, die denen im Erdmittelpunkt nahekommen“, sagte Bianca Haberl, korrespondierende Autorin der Studie und Neutronenstreuungswissenschaftlerin am SNS.

„Tatsächlich gehören Hochdruckzellen zu den komplexesten Umgebungen, die in Neutronenexperimenten verwendet werden. Daher ist es eine echte Herausforderung, die große Menge an unerwünschter Zellstreuung, die sie erzeugen, herauszufiltern.“

Die wissenschaftlichen Prinzipien für die Gestaltung von Kollimatoren sind im Allgemeinen gut verstanden, daher bestand der erste Versuch des Teams, einen Kollimator für eine so kleine Probe in 3D zu drucken, darin, die Größe des gedruckten Teils einfach zu vergrößern und gleichzeitig die durchgehenden, von vorne nach hinten verlaufenden Lamellen beizubehalten, die die Kanäle bildeten. Der Binder-Jet-3D-Drucker ermöglichte den Druck der einteiligen Version mit Abmessungen von etwa 12 x 9 x 9 Zoll, wodurch die Fähigkeit maximiert wurde, Neutronen zum Detektor zu lenken, während sie noch in das Instrument passten.

Leider beeinträchtigte die Komplexität bei der Skalierung des 3D-Druckprozesses die Präzision des gedruckten Teils so stark, dass es nicht für die Verwendung an der Strahllinie geeignet war.

„Eine einfache Vergrößerung des Drucks als ein großes Teil mit durchgehenden Klingen war ohne eine weitere Optimierung des Druckprozesses eindeutig nicht möglich“, sagte Garrett Granroth, Co-Autor und Neutronenstreuungswissenschaftler am SNS. „Anschließend wurde ein neues Konzept entwickelt, um mehrere kleinere Teile zu drucken und sie dann manuell zu einem kompletten Kollimator zusammenzusetzen. Der Hauptgrund für die Verwendung kleinerer Teile besteht darin, dass die beim einteiligen Design beobachteten Risse hauptsächlich auf Schwankungen in der Kontraktionsrate des Materials zurückzuführen waren.“ während des Aushärte- und Abkühlprozesses. Durch die Reduzierung ihrer Gesamtgröße kühlten die einzelnen Teile gleichmäßiger ab.“

Stattdessen wurde ein alternatives Klingendesign mit zunehmend engeren Klingen verwendet, vom Ende, das der Probe zugewandt ist, bis zum Ende, das dem Detektor zugewandt ist. Diese Konfiguration ermöglichte eine höhere Dichte an Schaufeln bei reduzierten Kanalgrößen und vermied einige größenbedingte Einschränkungen beim 3D-Druck. Indem sichergestellt wurde, dass die Rotorblätter die Grenze zwischen den einzelnen Teilen nicht überschritten, war das Design weniger anfällig für Fehlausrichtungen zwischen den Teilen während des Zusammenbaus.

Mithilfe dieses Ansatzes optimierte das Team die Leistung des Kollimators, indem es das gesamte Experiment mithilfe fortschrittlicher, für das Projekt entwickelter Rechenmethoden simulierte. Durch die Simulation wurde ein Entwurf erstellt, der ohne zusätzlichen technischen Aufwand direkt in die Produktion gehen konnte.

Die Leistung des 3D-gedruckten Kollimators mit alternierender Klinge wurde auf SNAP, der Spallation Neutron and Pressure Beamline, einem speziellen Hochdruck-Neutronendiffraktometer, bewertet. Experimente zeigten eine extreme Empfindlichkeit gegenüber der Ausrichtung des Kollimators und unterstrichen die Notwendigkeit höchster Präzision bei der Herstellung und Positionierung des Kollimators auf der Strahllinie.

Sobald der Kollimator präzise ausgerichtet war, ermöglichte er die gewünschte Erhöhung des relativen Probensignals über die Zellstreuung und bewies damit das Konzept. Die Wissenschaftler identifizierten auch Bereiche für zukünftige Verbesserungen, einschließlich weiterer Verbesserungen durch eine strengere Qualitätskontrolle bei der Herstellung und eine verbesserte Ausrichtung. Durch die Kombination von Modellierung und fortschrittlicher Fertigung hat die Studie ein neues Mittel zur kundenspezifischen Anpassung der Neutronenstreuinstrumente und zur Weiterentwicklung der Neutronenwissenschaft identifiziert.