橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室新研究使3D打印一體式中子準(zhǔn)直器成為可能
時間：2024-04-03 10:22 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2024年4月2日，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的科學(xué)家們在進(jìn)行中子實(shí)驗(yàn)時，采用一種名為“弗蘭肯斯坦”的設(shè)計方法，可以解決他們在嘗試3D打印一體式準(zhǔn)直器時遇到的問題。
技術(shù)研發(fā)背景
準(zhǔn)直器是中子散射實(shí)驗(yàn)中的重要組成部分。類似于X射線，中子被用于研究原子尺度的能量和物質(zhì)。中子準(zhǔn)直器的作用類似于漏斗，它幫助將中子引導(dǎo)到探測器上，以便中子與實(shí)驗(yàn)樣品材料相互作用后進(jìn)行檢測。這些漏斗的主要功能是減少干擾數(shù)據(jù)采集的雜散中子數(shù)量，例如來自樣品架外部或?qū)嶒?yàn)中其他儀器（如高壓池）的中子散射。
在這個過程中，大部分不需要的中子以奇特的角度進(jìn)入準(zhǔn)直器內(nèi)部的通道，并被通道壁（也稱為葉片）吸收。葉片的作用類似于保齡球道上的排水溝，可以捕捉那些沒有飛向保齡球瓶的保齡球。
橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室散裂中子源(SNS)的中子學(xué)科學(xué)家Fahima Islam說：“研究趨勢是在更復(fù)雜的環(huán)境中使用更小的材料樣品，這導(dǎo)致更多的中子沒有與樣品發(fā)生相互作用，也沒有從樣品中散射出來。”
Islam補(bǔ)充道：“這些不受歡迎的中子會在數(shù)據(jù)中產(chǎn)生不受歡迎的特征。這就是我們致力于生產(chǎn)一種3D打印準(zhǔn)直器的原因，這種準(zhǔn)直器可以定制設(shè)計，以便在不同類型的中子散射實(shí)驗(yàn)中過濾掉這些不受歡迎的背景特征。”
3D打印定制碳化硼準(zhǔn)直器
該團(tuán)隊(duì)與橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室制造示范設(shè)施（MDF）的專家合作，使用一種名為粘合劑噴射的3D打印方法。這種增材制造工藝?yán)梅勰┎牧现圃炝慵凸ぞ摺ｎ愃朴谠诩埳洗蛴。@種精密工藝根據(jù)數(shù)字設(shè)計一層一層地制造零件，直到物體完成。
團(tuán)隊(duì)面臨的一個障礙是在保持成品精度的同時，擴(kuò)大打印準(zhǔn)直器的尺寸。需要一個大型準(zhǔn)直器來捕獲更多從樣品和測試所選的復(fù)雜壓力池散射出來的中子。在加壓環(huán)境中，樣品被封裝在一個不透明的樣品容器中，這會導(dǎo)致大量不需要的中子發(fā)生強(qiáng)烈散射，從而干擾科學(xué)家正在尋找的較弱數(shù)據(jù)信號。
SNS的中子散射科學(xué)家Bianca Haberl解釋說：“為了證明使用定制的3D打印準(zhǔn)直器的可行性，我們決定使用一個裝在金剛石砧單元中的非常小的樣品，該單元是使用金剛石擠壓材料的高壓室。其中一些電池非常復(fù)雜和堅(jiān)固，能夠產(chǎn)生接近地球中心的壓力。”
她強(qiáng)調(diào)：“事實(shí)上，高壓電池是中子實(shí)驗(yàn)中使用的一些最復(fù)雜的環(huán)境，因此要過濾掉它們產(chǎn)生的大量不需要的電池散射是一個真正的挑戰(zhàn)。”
在設(shè)計上遇到的問題
設(shè)計準(zhǔn)直器的科學(xué)原理一般都很好理解，因此研究小組首次嘗試為如此小的樣品3D打印準(zhǔn)直器時，只需擴(kuò)大打印部件的尺寸，同時保留形成通道的前后連續(xù)葉片即可。粘合劑噴射3D打印機(jī)能夠打印出尺寸約為12 x 9 x 9英寸的一體式版本，從而最大限度地提高了將中子引導(dǎo)至探測器的能力，同時還能裝入儀器。
遺憾的是，擴(kuò)大3D打印工藝的復(fù)雜性影響了打印部件的精度，以至于不適合在光束線上使用。
中子散射科學(xué)家Garrett Granroth說：“如果不進(jìn)一步優(yōu)化打印過程，僅僅將打印放大為一個帶有連續(xù)葉片的大型部件顯然是不可行的。隨后，我們提出了一個新概念，即打印多個較小的部件，然后手動將它們組裝成一個完整的準(zhǔn)直器。使用較小部件的主要原因是，在單部件設(shè)計中觀察到的裂紋，主要是由于固化和冷卻過程中材料收縮率的變化造成的。通過減小整體尺寸，單個部件的冷卻更加均勻。”
該團(tuán)隊(duì)采用了一種交替葉片設(shè)計，從面向樣品的一端到面向探測器的一端，葉片逐漸收緊。這種配置可以在減小通道尺寸的同時提高葉片密度，并避免了一些與尺寸相關(guān)的3D打印限制。通過確保葉片不跨越單個部件之間的邊界，該設(shè)計對組裝過程中部件之間的錯位不那么敏感。
測試結(jié)果
采用這種方法后，團(tuán)隊(duì)利用為該項(xiàng)目開發(fā)的先進(jìn)計算方法對整個實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模擬，從而優(yōu)化了準(zhǔn)直器的性能。模擬生成的設(shè)計可直接投入生產(chǎn)，無需額外的工程設(shè)計。
3D打印的交替葉片準(zhǔn)直器在專用高壓中子衍射儀SNAP（Spallation Neutron and Pressure beamline）上進(jìn)行了性能評估。實(shí)驗(yàn)表明，準(zhǔn)直器的對準(zhǔn)極為敏感，這就強(qiáng)調(diào)了準(zhǔn)直器制造和在光束線上定位的超高精度的必要性。
一旦準(zhǔn)直器精確對準(zhǔn)，它就能使相對樣品信號的增加超過電池散射，從而證明了這一概念。科學(xué)家們還確定了未來需要改進(jìn)的領(lǐng)域，包括通過更嚴(yán)格的制造質(zhì)量控制和改進(jìn)對準(zhǔn)來進(jìn)一步提高性能。通過將建模和先進(jìn)制造技術(shù)相結(jié)合，這項(xiàng)研究找到了一種定制中子散射儀器和推動中子科學(xué)發(fā)展的新方法。
△弗蘭肯斯坦是科幻小說中的人物名稱，這里更多的表示非一個整體，而是拼裝在一起的方式（注意看縫隙）
技術(shù)研發(fā)背景
準(zhǔn)直器是中子散射實(shí)驗(yàn)中的重要組成部分。類似于X射線，中子被用于研究原子尺度的能量和物質(zhì)。中子準(zhǔn)直器的作用類似于漏斗，它幫助將中子引導(dǎo)到探測器上，以便中子與實(shí)驗(yàn)樣品材料相互作用后進(jìn)行檢測。這些漏斗的主要功能是減少干擾數(shù)據(jù)采集的雜散中子數(shù)量，例如來自樣品架外部或?qū)嶒?yàn)中其他儀器（如高壓池）的中子散射。
在這個過程中，大部分不需要的中子以奇特的角度進(jìn)入準(zhǔn)直器內(nèi)部的通道，并被通道壁（也稱為葉片）吸收。葉片的作用類似于保齡球道上的排水溝，可以捕捉那些沒有飛向保齡球瓶的保齡球。
△開發(fā)3D打印準(zhǔn)直器的團(tuán)隊(duì)包括（左起）Fahima Islam、Bianca Haberl和Garrett Granroth
橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室散裂中子源(SNS)的中子學(xué)科學(xué)家Fahima Islam說：“研究趨勢是在更復(fù)雜的環(huán)境中使用更小的材料樣品，這導(dǎo)致更多的中子沒有與樣品發(fā)生相互作用，也沒有從樣品中散射出來。”
Islam補(bǔ)充道：“這些不受歡迎的中子會在數(shù)據(jù)中產(chǎn)生不受歡迎的特征。這就是我們致力于生產(chǎn)一種3D打印準(zhǔn)直器的原因，這種準(zhǔn)直器可以定制設(shè)計，以便在不同類型的中子散射實(shí)驗(yàn)中過濾掉這些不受歡迎的背景特征。”
△研究小組的論文發(fā)表在《核儀器與物理研究方法》雜志上，研究題目為“先進(jìn)制造3D定制碳化硼準(zhǔn)直器，專為復(fù)雜的中子散射環(huán)境而設(shè)計”（傳送門）
3D打印定制碳化硼準(zhǔn)直器
該團(tuán)隊(duì)與橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室制造示范設(shè)施（MDF）的專家合作，使用一種名為粘合劑噴射的3D打印方法。這種增材制造工藝?yán)梅勰┎牧现圃炝慵凸ぞ摺ｎ愃朴谠诩埳洗蛴。@種精密工藝根據(jù)數(shù)字設(shè)計一層一層地制造零件，直到物體完成。
團(tuán)隊(duì)面臨的一個障礙是在保持成品精度的同時，擴(kuò)大打印準(zhǔn)直器的尺寸。需要一個大型準(zhǔn)直器來捕獲更多從樣品和測試所選的復(fù)雜壓力池散射出來的中子。在加壓環(huán)境中，樣品被封裝在一個不透明的樣品容器中，這會導(dǎo)致大量不需要的中子發(fā)生強(qiáng)烈散射，從而干擾科學(xué)家正在尋找的較弱數(shù)據(jù)信號。
SNS的中子散射科學(xué)家Bianca Haberl解釋說：“為了證明使用定制的3D打印準(zhǔn)直器的可行性，我們決定使用一個裝在金剛石砧單元中的非常小的樣品，該單元是使用金剛石擠壓材料的高壓室。其中一些電池非常復(fù)雜和堅(jiān)固，能夠產(chǎn)生接近地球中心的壓力。”
她強(qiáng)調(diào)：“事實(shí)上，高壓電池是中子實(shí)驗(yàn)中使用的一些最復(fù)雜的環(huán)境，因此要過濾掉它們產(chǎn)生的大量不需要的電池散射是一個真正的挑戰(zhàn)。”
△3D打印的“弗蘭肯斯坦設(shè)計”準(zhǔn)直器的圖像顯示了各個部件連接處的“疤痕”，在圖片中清晰可見
在設(shè)計上遇到的問題
設(shè)計準(zhǔn)直器的科學(xué)原理一般都很好理解，因此研究小組首次嘗試為如此小的樣品3D打印準(zhǔn)直器時，只需擴(kuò)大打印部件的尺寸，同時保留形成通道的前后連續(xù)葉片即可。粘合劑噴射3D打印機(jī)能夠打印出尺寸約為12 x 9 x 9英寸的一體式版本，從而最大限度地提高了將中子引導(dǎo)至探測器的能力，同時還能裝入儀器。
遺憾的是，擴(kuò)大3D打印工藝的復(fù)雜性影響了打印部件的精度，以至于不適合在光束線上使用。
中子散射科學(xué)家Garrett Granroth說：“如果不進(jìn)一步優(yōu)化打印過程，僅僅將打印放大為一個帶有連續(xù)葉片的大型部件顯然是不可行的。隨后，我們提出了一個新概念，即打印多個較小的部件，然后手動將它們組裝成一個完整的準(zhǔn)直器。使用較小部件的主要原因是，在單部件設(shè)計中觀察到的裂紋，主要是由于固化和冷卻過程中材料收縮率的變化造成的。通過減小整體尺寸，單個部件的冷卻更加均勻。”
該團(tuán)隊(duì)采用了一種交替葉片設(shè)計，從面向樣品的一端到面向探測器的一端，葉片逐漸收緊。這種配置可以在減小通道尺寸的同時提高葉片密度，并避免了一些與尺寸相關(guān)的3D打印限制。通過確保葉片不跨越單個部件之間的邊界，該設(shè)計對組裝過程中部件之間的錯位不那么敏感。
測試結(jié)果
采用這種方法后，團(tuán)隊(duì)利用為該項(xiàng)目開發(fā)的先進(jìn)計算方法對整個實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模擬，從而優(yōu)化了準(zhǔn)直器的性能。模擬生成的設(shè)計可直接投入生產(chǎn)，無需額外的工程設(shè)計。
3D打印的交替葉片準(zhǔn)直器在專用高壓中子衍射儀SNAP（Spallation Neutron and Pressure beamline）上進(jìn)行了性能評估。實(shí)驗(yàn)表明，準(zhǔn)直器的對準(zhǔn)極為敏感，這就強(qiáng)調(diào)了準(zhǔn)直器制造和在光束線上定位的超高精度的必要性。
一旦準(zhǔn)直器精確對準(zhǔn)，它就能使相對樣品信號的增加超過電池散射，從而證明了這一概念。科學(xué)家們還確定了未來需要改進(jìn)的領(lǐng)域，包括通過更嚴(yán)格的制造質(zhì)量控制和改進(jìn)對準(zhǔn)來進(jìn)一步提高性能。通過將建模和先進(jìn)制造技術(shù)相結(jié)合，這項(xiàng)研究找到了一種定制中子散射儀器和推動中子科學(xué)發(fā)展的新方法。
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