橡樹嶺國家實驗室新研究使3D打印一體式中子準直器成為可能

2024年4月2日，南極熊獲悉，橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的科學家們在進行中子實驗時，采用一種名為“弗蘭肯斯坦”的設計方法，可以解決他們在嘗試3D打印一體式準直器時遇到的問題。

△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

準直器是中子散射實驗中的重要組成部分。類似于X射線，中子被用于研究原子尺度的能量和物質(zhì)。中子準直器的作用類似于漏斗，它幫助將中子引導到探測器上，以便中子與實驗樣品材料相互作用后進行檢測。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)嶒炛衅渌麅x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入準直器內(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打印準直器的團隊包括（左起）Fahima Islam、Bianca Haberl和Garrett Granroth

橡樹嶺國家實驗室散裂中子源(SNS)的中子學科學家Fahima Islam說：“研究趨勢是在更復雜的環(huán)境中使用更小的材料樣品，這導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打印準直器的原因，這種準直器可以定制設計，以便在不同類型的中子散射實驗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“先進制造3D定制碳化硼準直器，專為復雜的中子散射環(huán)境而設計”（傳送門）

3D打印定制碳化硼準直器

該團隊與橡樹嶺國家實驗室制造示范設施（MDF）的專家合作，使用一種名為粘合劑噴射的3D打印方法。這種增材制造工藝利用粉末材料制造零件和工具。類似于在紙上打印，這種精密工藝根據(jù)數(shù)字設計一層一層地制造零件，直到物體完成。

團隊面臨的一個障礙是在保持成品精度的同時，擴大打印準直器的尺寸。需要一個大型準直器來捕獲更多從樣品和測試所選的復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，這會導致大量不需要的中子發(fā)生強烈散射，從而干擾科學家正在尋找的較弱數(shù)據(jù)信號。

SNS的中子散射科學家Bianca Haberl解釋說：“為了證明使用定制的3D打印準直器的可行性，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雜和堅固，能夠產(chǎn)生接近地球中心的壓力�！�

她強調(diào)：“事實上，高壓電池是中子實驗中使用的一些最復雜的環(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“弗蘭肯斯坦設計”準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

在設計上遇到的問題

設計準直器的科學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打印準直器時，只需擴大打印部件的尺寸，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至探測器的能力，同時還能裝入儀器。

遺憾的是，擴大3D打印工藝的復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。

中子散射科學家Garrett Granroth說：“如果不進一步優(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直器。使用較小部件的主要原因是，在單部件設計中觀察到的裂紋，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�！�

該團隊采用了一種交替葉片設計，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，團隊利用為該項目開發(fā)的先進計算方法對整個實驗進行了模擬，從而優(yōu)化了準直器的性能。模擬生成的設計可直接投入生產(chǎn)，無需額外的工程設計。

3D打印的交替葉片準直器在專用高壓中子衍射儀SNAP（Spallation Neutron and Pressure beamline）上進行了性能評估。實驗表明，準直器的對準極為敏感，這就強調(diào)了準直器制造和在光束線上定位的超高精度的必要性。

一旦準直器精確對準，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�？茖W家們還確定了未來需要改進的領域，包括通過更嚴格的制造質(zhì)量控制和改進對準來進一步提高性能。通過將建模和先進制造技術(shù)相結(jié)合，這項研究找到了一種定制中子散射儀器和推動中子科學發(fā)展的新方法。