橡樹(shù)嶺國(guó)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

2024年4月2日，南極熊獲悉，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的科學(xué)家們?cè)谶M(jìn)行中子實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用一種名為“弗蘭肯斯坦”的設(shè)計(jì)方法，可以解決他們?cè)趪L試3D打印一體式準(zhǔn)直器時(shí)遇到的問(wèn)題。

△弗蘭肯斯坦是科幻小說(shuō)中的人物名稱(chēng)，這里更多的表示非一個(gè)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(lèi)似于X射線(xiàn)，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(lèi)似于漏斗，它幫助將中子引導(dǎo)到探測(cè)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(cè)。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(lái)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(gè)過(guò)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(chēng)為葉片）吸收。葉片的作用類(lèi)似于保齡球道上的排水溝，可以捕捉那些沒(méi)有飛向保齡球瓶的保齡球。

△開(kāi)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(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室散裂中子源(SNS)的中子學(xué)科學(xué)家Fahima Islam說(shuō)：“研究趨勢(shì)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(méi)有與樣品發(fā)生相互作用，也沒(méi)有從樣品中散射出來(lái)�！�

Islam補(bǔ)充道：“這些不受歡迎的中子會(huì)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(jì)，以便在不同類(lèi)型的中子散射實(shí)驗(yàn)中過(guò)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(zhuān)為復(fù)雜的中子散射環(huán)境而設(shè)計(jì)”（傳送門(mén)）

3D打印定制碳化硼準(zhǔn)直器

該團(tuán)隊(duì)與橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室制造示范設(shè)施（MDF）的專(zhuān)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)�用粉末材料制造零件和工具。�?lèi)似于在紙上打印，這種精密工藝根據(jù)數(shù)字設(shè)計(jì)一層一層地制造零件，直到物體完成。

團(tuán)隊(duì)面臨的一個(gè)障礙是在保持成品精度的同時(shí)，擴(kuò)大打印準(zhǔn)直器的尺寸。需要一個(gè)大型準(zhǔn)直器來(lái)捕獲更多從樣品和測(cè)試所選的復(fù)雜壓力池散射出來(lái)的中子。在加壓環(huán)境中，樣品被封裝在一個(gè)不透明的樣品容器中，這會(huì)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(hào)。

SNS的中子散射科學(xué)家Bianca Haberl解釋說(shuō)：“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(gè)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(guò)濾掉它們產(chǎn)生的大量不需要的電池散射是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)�！�

△3D打印的“弗蘭肯斯坦設(shè)計(jì)”準(zhǔn)直器的圖像顯示了各個(gè)部件連接處的“疤痕”，在圖片中清晰可見(jiàn)

在設(shè)計(jì)上遇到的問(wèn)題

設(shè)計(jì)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(shí)，只需擴(kuò)大打印部件的尺寸，同時(shí)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(cè)器的能力，同時(shí)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(xiàn)上使用。

中子散射科學(xué)家Garrett Granroth說(shuō)：“如果不進(jìn)一步優(yōu)化打印過(guò)程，僅僅將打印放大為一個(gè)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(gè)新概念，即打印多個(gè)較小的部件，然后手動(dòng)將它們組裝成一個(gè)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(jì)中觀察到的裂紋，主要是由于固化和冷卻過(guò)程中材料收縮率的變化造成的。通過(guò)減小整體尺寸，單個(gè)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(jì)，從面向樣品的一端到面向探測(cè)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(shí)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(guò)確保葉片不跨越單個(gè)部件之間的邊界，該設(shè)計(jì)對(duì)組裝過(guò)程中部件之間的錯(cuò)位不那么敏感。

測(cè)試結(jié)果

采用這種方法后，團(tuán)隊(duì)利用為該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的先進(jìn)計(jì)算方法對(duì)整個(gè)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(jì)可直接投入生產(chǎn)，無(wú)需額外的工程設(shè)計(jì)。

3D打印的交替葉片準(zhǔn)直器在專(zhuān)用高壓中子衍射儀SNAP（Spallation Neutron and Pressure beamline）上進(jìn)行了性能評(píng)估。實(shí)驗(yàn)表明，準(zhǔn)直器的對(duì)準(zhǔn)極為敏感，這就強(qiáng)調(diào)了準(zhǔn)直器制造和在光束線(xiàn)上定位的超高精度的必要性。

一旦準(zhǔn)直器精確對(duì)準(zhǔn)，它就能使相對(duì)樣品信號(hào)的增加超過(guò)電池散射，從而證明了這一概念�？茖W(xué)家們還確定了未來(lái)需要改進(jìn)的領(lǐng)域，包括通過(guò)更嚴(yán)格的制造質(zhì)量控制和改進(jìn)對(duì)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)一步提高性能。通過(guò)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(dòng)中子科學(xué)發(fā)展的新方法。