弗兰肯斯坦设计使3D打印中子准直器成为可能

在能源部橡树岭国家实验室的科学家们进行的中子实验中，经过时间考验的“分而治之”策略呈现出新的高科技含义。他们发现，他们在尝试3D打印一体式准直器时遇到的问题可以通过开发一种涉及多个身体部位以及一些相当明显的疤痕的“弗兰肯斯坦设计”来解决。

该团队的论文发表在《核仪器和物理方法研究》杂志上A部分：加速器、光谱仪、探测器和相关设备。

准直器是中子散射中使用的重要部件。与X射线类似，中子用于在原子尺度上研究能量和物质。中子准直器可以被认为是漏斗，在中子与实验样品材料相互作用后帮助引导中子流向探测器。这些漏斗主要用于减少干扰数据收集的杂散中子的数量，例如从样品架或实验中使用的其他设备(例如高压池)散射的中子。

在此过程中，大多数不需要的中子(即从样品以外的特征散射的中子)以奇数角度进入准直器内部的通道，并被通道壁(也称为叶片)吸收。刀片的作用就像保龄球道上的排水沟，可以捕获未射向球瓶的保龄球。

“研究趋势是在更复杂的环境中使用更小的材料样本，从而产生更多的中子，这些中子不会与样本相互作用，也不会从样本中散射，”该研究的主要作者、中子学科学家FahimaIslam说。ORNL的散裂中子源(SNS)。

“这些不需要的中子在数据中产生不需要的特征，这就是为什么我们致力于生产3D打印准直器，可以定制设计以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。”

该团队与ORNL制造示范设施(MDF)的专家合作，使用一种称为粘合剂喷射的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。与纸上印刷类似，精密工艺基于数字设计逐层构建零件，直到物体完成。

该团队面临的一个障碍是扩大印刷准直器的尺寸，同时保持成品的准确性。需要一个大型准直器来捕获从样品中散射的更多中子以及为测试选择的复杂压力盒。在加压环境中，样品被封装在不透明的样品容器内，这会导致大量不需要的中子以一种可以主导科学家正在寻找的较弱数据信号的方式强烈散射。

“为了证明使用定制3D打印准直器的可行性，我们决定使用金刚石砧室中包含的非常小的样品，这是一种使用金刚石挤压材料的高压室。其中一些细胞非常复杂该研究的通讯作者、SNS的中子散射科学家比安卡·哈伯尔(BiancaHaberl)说：“它们能够产生接近地球中心的压力，并且很强大。”

“事实上，高压室是中子实验中使用的最复杂的环境之一，因此过滤掉它们产生的大量不需要的细胞散射是一个真正的挑战。”

设计准直器的科学原理一般都很好理解，因此该团队首次尝试为如此小的样品3D打印准直器，只需扩大打印零件的尺寸，同时保留形成通道的连续、从前到后的刀片。粘合剂喷射3D打印机能够打印尺寸约为12x9x9英寸的一体式版本，最大限度地提高了将中子引导至探测器的能力，同时仍然适合仪器。

不幸的是，放大3D打印过程的复杂性损害了打印部件的精度，以至于不适合在光束线上使用。

SNS的合著者、中子散射科学家加勒特·格兰罗斯(GarrettGranroth)表示：“如果不进一步优化打印过程，简单地用连续刀片将打印放大为一个大部件显然是不可行的。”“随后开发了一种新概念，可以打印多个较小的部件，然后手动将它们组装成完整的准直器。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材料收缩率的变化造成的在固化和冷却过程中。通过减小其整体尺寸，各个部件的冷却更加均匀。”

取而代之的是，采用了交替刀片设计，刀片从面向样品的一端到面向检测器的一端逐渐变紧。这种配置可以实现更高密度的叶片，同时缩小通道尺寸，并避免了一些与尺寸相关的3D打印限制。通过确保叶片不会跨越各个部件之间的边界，该设计对组装过程中部件之间的不对中不太敏感。

采用这种方法，该团队通过使用为该项目开发的先进计算方法模拟整个实验来优化准直器性能。仿真产生的设计可以直接投入生产，无需额外的工程。

3D打印的交替叶片准直器在SNAP(散裂中子和压力束线)(一种专用的高压中子衍射仪)上进行了性能评估。实验表明准直器的对准极其敏感，强调了准直器制造和光束线上定位的超高精度的必要性。

一旦准直器精确对准，它就能实现细胞散射上相对样本信号的所需增加，从而证明了这一概念。科学家们还确定了未来改进的领域，包括通过更严格的制造质量控制和改进的一致性来进一步增强。通过将建模和先进制造相结合，该研究确定了定制中子散射仪器和推进中子科学的新方法。