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3D-gedruckte Neutronenkollimatoren für die Neutronenstreuung ermöglichen neue wissenschaftliche Erkenntnisse und senken die Kosten

Disruptive Technologien wie der 3D-Druck haben einen großen Einfluss auf die Fertigung gehabt, zum Teil durch Kostensenkung und Beschleunigung der Produktion. Nun könnte der 3D-Druck einen ähnlichen Einfluss auf die Neutronenstreuung haben mittels 3D-gedruckten Neutronenkollimatoren.

Forscher und Ingenieure des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) des Department of Energy (DOE) haben mit dem 3D-Druck von Neutronenkollimatoren begonnen – wichtige Hardwarekomponenten für Experimente mit Neutronenstreuung. Diese Innovation kann zu niedrigeren Kosten und einer schnelleren Produktion führen, und die Forscher sagen, dass sie auch neue und verbesserte Wissenschaft ermöglichen kann.

Mithilfe der Neutronenstreuung können Wissenschaftler Materialien auf atomarer Ebene untersuchen und die Entdeckungen nutzen, um Innovationen wie schnellere Computer, härtere Rüstungen und effektivere Arzneimittelbehandlungen zu entwickeln.

Diese neuen 3D-gedruckten Kollimatoren können helfen, im Vergleich zu ihren Vorgängern klarere Daten für Neutronenstreuexperimente bereitzustellen. Mit diesen Kollimatoren können nun einige bisher nicht mögliche Neutronenstreuungsexperimente wie Experimente mit extrem kleinen Proben erreicht werden.

„Selbst wenn wir wüssten, dass ein Kollimator auf eine bestimmte Weise geformt werden konnte, um ein Experiment zum Laufen zu bringen, gab es keine Möglichkeit, es herzustellen“, sagte Bianca Haberl, die die Experimente koordiniert, die bei ORNL unter der Leitung von Neutron-Wissenschaften bei ORNL durchgeführt wurden. „Wenn nun ein Forscher kommt und Ihnen klar wird, dass das Experiment nicht ganz funktioniert, könnten Sie sagen:“ Lassen Sie uns einen Kollimator entwerfen, „senden Sie ihn zum Drucken, damit das Experiment funktioniert oder sogar viel besser.“

Die Beobachtung, wie Neutronen Proben abstreuen, kann Forschern Einblicke in Fragen wie die innere Struktur einer Probe wie eine Batterie oder die chemische Zusammensetzung einer anderen Probe wie eines Arzneimittels geben. Kollimatoren arbeiten, indem nur Neutronen, die auf die Probe gerichtet sind, durchgelassen werden (was als „incident beam collimation“ bezeichnet wird), und gleichzeitig die Probe von der umgebenden Umgebung isoliert werden (was als „scattered beam collimation“ bezeichnet wird). Infolgedessen muss ein Kollimator in der Lage sein, Neutronen effektiv zu absorbieren, damit er nicht „leckt“.

„Sie haben Ihre Probe und Sie verwenden diese Kollimatoren, um sicherzustellen, dass Sie nur die Probe betrachten“, sagte Haberl. „Sie stellen sicher, dass Sie nur die Teile sehen, die Sie sehen möchten, und nicht die großen Metallklumpen in der Umgebung, die Sie nicht interessieren.“

Ein typischer Herstellungsprozess für einen Kollimator beinhaltet das Entnehmen von Borcarbidplatten (B4C), das Schneiden und das reaktionsverbundene Zusammenfügen. Dieser Vorgang kann Monate dauern und bis zu 2.000 USD kosten.

Kleine, 3D-gedruckte Neutronenkollimatoren, entworfen von ORNLs Jamie Molaison. Kollimatoren werden verwendet, um Neutronen zu Proben zu leiten, damit die Neutronen die Proben auf atomarer Ebene analysieren können. 3D-gedruckte Kollimatoren sorgen für reduzierte Kosten und Fertigungszeiten.

Foto: ORNL

Kleine, 3D-gedruckte Neutronenkollimatoren, entworfen von ORNLs Jamie Molaison.
Jetzt, da sie in 3D gedruckt werden können, können die gleichen Kollimatoren an einem Tag für etwa 30 US-Dollar hergestellt werden.

Diese Kollimatoren werden mit einem sogenannten Binder-Jetting-Verfahren gedruckt, das ähnlich wie ein Tintenstrahldrucker funktioniert. Der 3D-Drucker legt eine Schicht aus dem gleichen Borcarbid-Material in Pulverform aus und überschreitet sie dann, wobei ein Bindemittel oder Klebstoff in Form einer Schicht des Teils platziert wird. Der Drucker legt dann mehr Pulver auf den Klebstoff und wiederholt diesen Vorgang, bis das Teil fertig ist.

„So wie Sie Tinte auf ein Blatt Papier drucken würden, drucken wir Kleber in diese Schicht aus pulverförmigem Material“, sagte Amy Elliott, die leitende Ermittlerin für Binder-Jet-Druck bei DOEs Manufacturing Demonstration Facility bei ORNL. „Dank dieser Technologie können wir mit Borcarbid und vielen anderen Keramiken arbeiten, die sich nur schwer mit anderen additiven Fertigungsmethoden verbinden lassen.“

Dieser Prozess kann bei Kollimatordesigns viel feinere Details ermöglichen, was bedeutet, dass Forscher die Fähigkeit haben, Lecks zu reduzieren und einen Kollimator auf einzigartige Weise zu formen. Mit dem 3D-Druck können Forscher nun Kollimatoren aus angereichertem Borcarbid (10B4C) herstellen, das Neutronen besser absorbiert als herkömmliche Druckmaterialien.

Da dieses angereicherte Borcarbid eine höhere Dichte des Neutronenabsorbens 10B aufweist, kann es den Forschern klarere Daten liefern. Borcarbid-Materialien sind in einer Vielzahl von Experimenten für die Neutronenabsorption gut, weshalb sich die Forscher bei dieser ersten Forschung auf die Verwendung dieser Materialien konzentrierten. Zukünftig wollen die Forscher auch den 3D-Druck nutzen, um Kollimatoren aus anderen Neutronen absorbierenden Materialien herzustellen.

Die 3D-gedruckten Kollimatoren können zu einer Änderung der Verwendung von Kollimatoren führen. Derzeit wird ein einzelner Kollimator für ein einzelnes Neutronenstreuinstrument verwendet. Da Kollimatoren schnell und kostengünstig erstellt werden können, können sie geändert und in verschiedenen Experimenten verwendet werden, ähnlich der Verwendung unterschiedlicher Probenumgebungen für verschiedene Experimente. Durch Kollimatoren, die an ihre Experimente angepasst werden können, können Wissenschaftler genauere Daten für ihre Forschung sammeln.

Um dies zu ermöglichen, arbeiten Forscher mit Compute and Data Environment for Science, einer der internen Rechenressourcen von ORNL, an Computersimulationen, die automatisch den besten Kollimator für ein Experiment entwerfen können. Dies ermöglicht nicht nur eine schnellere Herstellung, sondern auch ein schnelleres Design.

„Zuvor hatten Sie einen Kollimator für Ihr einziges Instrument“, sagte Elliott. „Jetzt mit 3D-Druck, da die Kosten so niedrig sind und der Turnaround so gering ist, könnten Sie pro Experiment einen Kollimator haben.“

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