La strategia collaudata nel tempo del "divide et impera" ha assunto un nuovo significato high-tech durante gli esperimenti sui neutroni condotti dagli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento di Energia. Hanno scoperto che i problemi che hanno dovuto affrontare durante il tentativo di stampare in 3D un collimatore monopezzo potevano essere risolti sviluppando invece un "design Frankenstein" che coinvolgeva più parti del corpo e alcune cicatrici piuttosto evidenti.
L'articolo del team è pubblicato sulla rivista Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Sezione A:Acceleratori, spettrometri, rilevatori e apparecchiature associate .
I collimatori sono componenti importanti utilizzati nella diffusione dei neutroni. Similmente ai raggi X, i neutroni vengono utilizzati per studiare l’energia e la materia su scala atomica. I collimatori di neutroni possono essere pensati come imbuti che aiutano a guidare i neutroni verso un rilevatore dopo aver interagito con i materiali campione sperimentali. Questi imbuti servono principalmente a ridurre il numero di neutroni vaganti che interferiscono con la raccolta dei dati, ad esempio i neutroni che si disperdono dai contenitori dei campioni o da altri apparati utilizzati nell'esperimento come le celle ad alta pressione.
Durante questo processo, la maggior parte dei neutroni indesiderati, quelli diffusi da strutture diverse dal campione, entrano nei canali all'interno dei collimatori ad angoli dispari e vengono assorbiti dalle pareti dei canali, chiamate anche lame. Le lame funzionano come i canali di scolo su una pista da bowling, che catturano le palle da bowling che non sono dirette verso i birilli.
"La tendenza della ricerca verso l'utilizzo di campioni più piccoli di materiali in ambienti più complessi si traduce in un numero maggiore di neutroni che non interagiscono con il campione e non si diffondono dal campione", ha affermato Fahima Islam, autore principale dello studio e scienziato neutronico presso Sorgente di neutroni di spallazione di ORNL, o SNS.
"Questi neutroni indesiderati producono firme indesiderate nei dati, motivo per cui stavamo lavorando per produrre un collimatore stampato in 3D che potesse essere progettato su misura per filtrare queste caratteristiche di fondo indesiderate durante diversi tipi di esperimenti di diffusione dei neutroni."
Il team ha collaborato con gli esperti del Manufacturing Demonstration Facility, o MDF, dell’ORNL, per utilizzare un metodo di stampa 3D chiamato binder jetting. Questo processo di produzione additiva costruisce parti e strumenti da materiali in polvere. Simile alla stampa su carta, il processo di precisione costruisce la parte strato dopo strato, sulla base di un disegno digitale, fino al completamento dell'oggetto.
Uno degli ostacoli che il team ha dovuto affrontare è stato quello di aumentare le dimensioni del collimatore stampato mantenendo la precisione del prodotto finito. Era necessario un collimatore di grandi dimensioni per catturare un numero maggiore di neutroni diffusi dal campione e dalla complessa cella di pressione scelta per il test. In un ambiente pressurizzato, il campione è racchiuso in un contenitore non trasparente, che provoca una forte dispersione di un numero significativo di neutroni indesiderati in un modo che può dominare il segnale di dati più debole che gli scienziati stanno cercando.
“Per dimostrare la fattibilità dell’utilizzo di collimatori personalizzati stampati in 3D, abbiamo deciso di utilizzare un campione molto piccolo contenuto in una cella a incudine di diamante, una camera ad alta pressione che utilizza i diamanti per spremere i materiali. Alcune di queste celle sono così complesse e forti da essere in grado di produrre pressioni che si avvicinano a quelle del centro della Terra", ha affermato Bianca Haberl, autrice corrispondente dello studio e scienziata della SNS.
"In effetti, le celle ad alta pressione sono alcuni degli ambienti più complessi utilizzati negli esperimenti sui neutroni, quindi è una vera sfida filtrare l'enorme quantità di dispersione cellulare indesiderata che producono."
I principi scientifici per la progettazione dei collimatori sono generalmente ben compresi, quindi il primo tentativo del team di stampare in 3D un collimatore per un campione così piccolo prevedeva semplicemente di aumentare le dimensioni della parte stampata mantenendo le lame continue, fronte-retro, che formavano i canali. La stampante 3D a getto legante ha consentito di stampare la versione monopezzo con dimensioni di circa 12 x 9 x 9 pollici, massimizzando la capacità di indirizzare i neutroni verso il rilevatore pur rimanendo inseriti nello strumento.
Sfortunatamente, le complessità nell'ingrandimento del processo di stampa 3D hanno compromesso la precisione della parte stampata a tal punto che non era adatta all'uso sulla linea di luce.
"Il semplice ridimensionamento della stampa come una grande parte con lame continue non era chiaramente fattibile senza un'ulteriore ottimizzazione del processo di stampa", ha affermato Garrett Granroth, coautore e scienziato della diffusione di neutroni presso SNS. "Successivamente è stato sviluppato un nuovo concetto per stampare più parti più piccole e poi assemblarle manualmente in un collimatore completo. La ragione principale per utilizzare pezzi più piccoli è che la fessurazione osservata nel design a parte singola era dovuta principalmente alle variazioni nella velocità di contrazione del materiale durante il processo di polimerizzazione e raffreddamento, riducendo le loro dimensioni complessive, le singole parti si raffreddano in modo più uniforme."
È stato invece utilizzato un design a lame alternate con lame progressivamente più strette, dall'estremità rivolta verso il campione fino all'estremità rivolta verso il rilevatore. Questa configurazione ha consentito una maggiore densità di pale con dimensioni di canale ridotte ed ha evitato alcune limitazioni della stampa 3D legate alle dimensioni. Garantendo che le lame non attraversassero il confine tra le singole parti, il progetto era meno sensibile al disallineamento tra i pezzi durante l'assemblaggio.
Utilizzando questo approccio, il team ha ottimizzato le prestazioni del collimatore simulando l'intero esperimento utilizzando metodi computazionali avanzati sviluppati per il progetto. La simulazione ha prodotto un progetto che poteva andare direttamente in produzione senza ulteriore ingegneria.
Il collimatore a lame alternate stampato in 3D è stato valutato per le prestazioni su SNAP, Spallation Neutron and Pressure beamline, un diffrattometro di neutroni ad alta pressione dedicato. Gli esperimenti hanno rivelato un'estrema sensibilità all'allineamento del collimatore, sottolineando la necessità di una precisione ultraelevata nella produzione del collimatore e nel posizionamento sulla linea di luce.
Una volta allineato con precisione, il collimatore ha consentito l'aumento desiderato del relativo segnale del campione rispetto alla dispersione delle cellule, dimostrando il concetto. Gli scienziati hanno inoltre identificato aree per futuri perfezionamenti, compresi ulteriori miglioramenti attraverso un controllo di qualità della produzione più rigoroso e un migliore allineamento. Combinando la modellazione e la produzione avanzata, lo studio ha identificato un nuovo mezzo per personalizzare la strumentazione di diffusione dei neutroni e far progredire la scienza dei neutroni.
Ulteriori informazioni: Fahima Islam et al, Produzione avanzata di collimatori 3D personalizzati in carburo di boro progettati per ambienti complessi per la diffusione di neutroni, Strumenti e metodi nucleari nella ricerca fisica Sezione A:acceleratori, spettrometri, rilevatori e apparecchiature associate (2024). DOI:10.1016/j.nima.2024.169165
Fornito da Oak Ridge National Laboratory
