Wetenschap
Het Frankenstein-ontwerp maakt een 3D-geprinte neutronencollimator mogelijk
De beproefde strategie van ‘verdeel en heers’ kreeg een nieuwe, hightech betekenis tijdens neutronenexperimenten door wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy. Ze ontdekten dat de problemen waarmee ze te maken kregen bij hun poging om een collimator uit één stuk in 3D te printen, konden worden opgelost door in plaats daarvan een 'Frankenstein-ontwerp' te ontwikkelen met meerdere lichaamsdelen - en enkele nogal voor de hand liggende littekens.
Het artikel van het team is gepubliceerd in het tijdschrift Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment .
Collimatoren zijn belangrijke componenten die worden gebruikt bij de verstrooiing van neutronen. Net als bij röntgenstraling worden neutronen gebruikt om energie en materie op atomaire schaal te bestuderen. Neutronencollimatoren kunnen worden gezien als trechters die neutronen helpen naar een detector te leiden nadat ze interactie hebben gehad met experimentele monstermaterialen. Deze trechters dienen in de eerste plaats om het aantal verdwaalde neutronen te verminderen dat de gegevensverzameling verstoort, bijvoorbeeld neutronen die van monsterhouders worden verspreid of van andere apparaten die in het experiment worden gebruikt, zoals hogedrukcellen.
Tijdens dit proces komen de meeste ongewenste neutronen, die zich verspreiden vanuit andere kenmerken dan het monster, onder vreemde hoeken kanalen binnen de collimatoren binnen en worden geabsorbeerd door kanaalwanden, ook wel bladen genoemd. De bladen fungeren als de goten op een bowlingbaan, die bowlingballen opvangen die niet richting de pins gaan.
"De onderzoekstrend naar het gebruik van kleinere materiaalmonsters in complexere omgevingen resulteert in een groter aantal neutronen die geen interactie met het monster hebben gehad en zich niet uit het monster verspreiden", zegt Fahima Islam, hoofdauteur van het onderzoek en een neutronische wetenschapper bij ORNL's Spallation Neutron Source, oftewel SNS.
"Deze ongewenste neutronen produceren ongewenste kenmerken in de gegevens. Daarom werkten we aan de productie van een 3D-geprinte collimator die op maat kon worden ontworpen om deze ongewenste achtergrondkenmerken eruit te filteren tijdens verschillende soorten neutronenverstrooiingsexperimenten."
Het team werkte samen met experts van ORNL's Manufacturing Demonstration Facility, oftewel MDF, om een 3D-printmethode te gebruiken die binder jetting wordt genoemd. Bij dit additieve productieproces worden onderdelen en gereedschappen gemaakt van poedervormige materialen. Net als bij het printen op papier, bouwt het precisieproces het onderdeel laag voor laag op, op basis van een digitaal ontwerp, totdat het object compleet is.
Eén hindernis waarmee het team te maken kreeg, was het vergroten van de afmetingen van de geprinte collimator, terwijl de nauwkeurigheid van het eindproduct behouden bleef. Er was een grote collimator nodig om een groter aantal neutronen op te vangen die door het monster en de voor de test gekozen complexe drukcel werden verstrooid. In een omgeving onder druk wordt het monster opgesloten in een niet-transparante monstercontainer, waardoor een aanzienlijk aantal ongewenste neutronen zich sterk verspreidt op een manier die het zwakkere gegevenssignaal kan domineren waarnaar wetenschappers op zoek zijn.
"Om de haalbaarheid van het gebruik van op maat gemaakte, 3D-geprinte collimatoren aan te tonen, hebben we besloten een heel klein monster te gebruiken in een diamanten aambeeldcel:een hogedrukkamer die diamanten gebruikt om materialen uit te persen. Sommige van deze cellen zijn zo complex en sterk dat ze in staat zijn druk te veroorzaken die in de buurt komt van die in het centrum van de aarde”, zegt Bianca Haberl, corresponderende auteur van het onderzoek en wetenschapper op het gebied van neutronenverstrooiing bij SNS.
"In feite behoren hogedrukcellen tot de meest complexe omgevingen die worden gebruikt in neutronenexperimenten, dus het is een echte uitdaging om de enorme hoeveelheid ongewenste celverstrooiing die ze produceren eruit te filteren."
De wetenschappelijke principes voor het ontwerpen van collimatoren zijn over het algemeen goed begrepen, dus de eerste poging van het team om een collimator voor zo'n klein monster in 3D te printen, bestond uit het simpelweg opschalen van de geprinte onderdeelgrootte met behoud van de doorlopende, van voor naar achter bladen die de kanalen vormden. Met de 3D-printer met binderjet kon de versie uit één stuk worden geprint met afmetingen van ongeveer 30 bij 9 bij 9 inch, waardoor de capaciteit om neutronen naar de detector te sturen werd gemaximaliseerd terwijl deze nog steeds in het instrument paste.
Helaas heeft de complexiteit bij het opschalen van het 3D-printproces de nauwkeurigheid van het geprinte onderdeel zodanig aangetast dat het niet geschikt was voor gebruik op de bundellijn.
"Het simpelweg opschalen van de print als één groot onderdeel met doorlopende bladen was duidelijk niet haalbaar zonder het printproces verder te optimaliseren", zegt Garrett Granroth, co-auteur en neutronenverstrooiingswetenschapper bij SNS. "Vervolgens werd een nieuw concept ontwikkeld om meerdere kleinere onderdelen te printen en deze vervolgens handmatig te assembleren tot een complete collimator. De belangrijkste reden voor het gebruik van kleinere onderdelen is dat de scheurvorming die werd waargenomen bij het ontwerp uit één onderdeel voornamelijk te wijten was aan variaties in de samentrekkingssnelheid van het materiaal tijdens het uithardings- en afkoelproces. Door hun totale afmetingen te verkleinen, koelden de afzonderlijke onderdelen gelijkmatiger af."
In plaats daarvan werd een ontwerp met afwisselende bladen gebruikt met steeds strakkere bladen, vanaf het uiteinde dat naar het monster was gericht tot het uiteinde dat naar de detector was gericht. Deze configuratie maakte een hogere dichtheid van bladen mogelijk met kleinere kanaalgroottes en vermeed enkele groottegerelateerde beperkingen voor 3D-printen. Door ervoor te zorgen dat de bladen de grens tussen de afzonderlijke onderdelen niet overschreden, was het ontwerp minder gevoelig voor verkeerde uitlijning tussen de stukken tijdens de montage.
Met behulp van deze aanpak optimaliseerde het team de prestaties van de collimator door het hele experiment te simuleren met behulp van geavanceerde computermethoden die voor het project waren ontwikkeld. De simulatie leverde een ontwerp op dat zonder aanvullende engineering direct in productie kon gaan.
De 3D-geprinte collimator met afwisselende bladen werd beoordeeld op prestaties op SNAP, de Spallation Neutron and Pressure beamline, een speciale hogedrukneutronendiffractometer. Experimenten brachten een extreme gevoeligheid aan het licht voor de uitlijning van de collimator, wat de noodzaak van ultrahoge precisie bij de productie en positionering van de collimator op de bundellijn benadrukte.
Toen de collimator eenmaal nauwkeurig was uitgelijnd, werd de gewenste toename van het relatieve monstersignaal over de celverstrooiing mogelijk, wat het concept bewees. De wetenschappers identificeerden ook gebieden voor toekomstige verfijning, waaronder verdere verbeteringen door strengere productiekwaliteitscontrole en verbeterde afstemming. Door modellering en geavanceerde productie te combineren, heeft het onderzoek een nieuwe manier geïdentificeerd om de instrumenten voor neutronenverstrooiing aan te passen en de neutronenwetenschap te bevorderen.