“Frankenstein-Design” ermöglicht 3D-gedruckten Neutronen-Kollimator

Bei Neutronenexperimenten von Forschenden des Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums bekam die altbewährte Strategie des Teilens und Eroberns eine neue, hochtechnologische Bedeutung. Sie entdeckten, dass die Probleme, mit denen sie bei dem Versuch konfrontiert waren, einen einteiligen Kollimator in 3D zu drucken, durch die Entwicklung eines “Frankenstein-Designs” mit mehreren Körperteilen – und einigen ziemlich offensichtlichen Narben – gelöst werden konnten.

Ein weiterer Ansatz des Teams bestand darin, ein abwechselndes Klingen-Design zu verwenden, das eine höhere Dichte von Klingen mit reduzierten Kanalgrößen ermöglichte und so einige der größenbedingten Einschränkungen des 3D-Drucks umging. Durch Simulation des gesamten Experiments mit fortschrittlichen Rechenmethoden konnte ein Design direkt zur Produktion freigegeben werden, ohne zusätzliche technische Anpassungen zu benötigen.

“Der Forschungstrend zur Verwendung kleinerer Materialproben in komplexeren Umgebungen führt zu einer größeren Anzahl von Neutronen, die nicht mit der Probe interagiert haben und nicht von der Probe gestreut werden”, sagte Fahima Islam, Hauptautorin der Studie und Neutronikerin an der Spallationsneutronenquelle (SNS) des ORNL. “Diese unerwünschten Neutronen erzeugen unerwünschte Signaturen in den Daten, weshalb wir an der Herstellung eines 3D-gedruckten Kollimators gearbeitet haben, der individuell gestaltet werden kann, um diese unerwünschten Hintergrundmerkmale bei verschiedenen Arten von Neutronenstreuexperimenten herauszufiltern.”

Die Leistung des so hergestellten Kollimators wurde am Spallation Neutron and Pressure beamline (SNAP), einem spezialisierten Hochdruck-Neutronendiffraktometer, getestet. Die Experimente zeigten eine extreme Sensitivität der Kollimatorausrichtung, was die Notwendigkeit einer ultrahohen Präzision in der Herstellung und Positionierung des Kollimators unterstrich.

“Um die Machbarkeit der Verwendung von maßgeschneiderten, 3D-gedruckten Kollimatoren zu demonstrieren, beschlossen wir, eine sehr kleine Probe in einer Diamant-Amboss-Zelle zu verwenden – eine Hochdruckkammer, die Diamanten verwendet, um Materialien zu quetschen. Einige dieser Zellen sind so komplex und stark, dass sie in der Lage sind, Drücke zu erzeugen, die denen im Zentrum der Erde nahe kommen”, sagt Bianca Haberl, die korrespondierende Autorin der Studie und Wissenschaftlerin für Neutronenstreuung an der SNS. “Tatsächlich gehören Hochdruckzellen zu den komplexesten Umgebungen, die in Neutronenexperimenten verwendet werden, so dass es eine echte Herausforderung ist, die große Menge an unerwünschter Zellstreuung herauszufiltern, die sie erzeugen.”

Nach präziser Ausrichtung ermöglichte der Kollimator eine signifikante Verbesserung des Signals der Probe im Verhältnis zur Streuung durch die Zelle, womit das Konzept bewiesen wurde.

“Eine einfache Skalierung des Drucks als ein großes Teil mit durchgehenden Schaufeln war ohne weitere Optimierung des Druckprozesses eindeutig nicht möglich”, so Garrett Granroth, Mitautor und Wissenschaftler für Neutronenstreuung bei SNS. “Daraufhin wurde ein neues Konzept entwickelt, bei dem mehrere kleinere Teile gedruckt und dann manuell zu einem kompletten Kollimator zusammengebaut werden. Der Hauptgrund für die Verwendung kleinerer Teile ist, dass die bei der einteiligen Konstruktion beobachtete Rissbildung in erster Linie auf Schwankungen in der Kontraktionsrate des Materials während des Aushärtungs- und Abkühlungsprozesses zurückzuführen war. Durch die Verringerung der Gesamtgröße kühlten die einzelnen Teile gleichmäßiger ab.”

Die Forschenden identifizierten auch Bereiche für zukünftige Verbesserungen, einschließlich strengerer Qualitätskontrollen in der Fertigung und präziserer Ausrichtung. Durch die Kombination von Modellierung und fortschrittlicher Fertigung eröffnete die Studie neue Wege zur Anpassung der Instrumentierung für Neutronenstreuung und zur Weiterentwicklung der Neutronenwissenschaft.