オークリッジ国立研究所の新しい研究により、オールインワンの中性子コリメータを3Dプリントすることが可能になった。

この投稿は Bingdunxiong によって 2024-4-2 16:51 に最後に編集されました

2024年4月2日、アンタークティックベアは、オークリッジ国立研究所（ORNL）の科学者が、統合コリメータを3Dプリントしようとしたときに遭遇した問題を解決するために、中性子実験を行う際に「フランケンシュタイン」と呼ばれる設計手法を使用したことを知りました。

△フランケンシュタインはSF小説の登場人物の名前です。ここでは、全体ではなく、組み立て方を意味します（隙間に注意してください）
技術研究開発の背景

コリメータは中性子散乱実験において重要な構成要素です。 X 線と同様に、中性子は原子スケールでエネルギーと物質を研究するために使用されます。中性子コリメータは漏斗のような役割を果たし、中性子が実験サンプル材料と相互作用した後に、中性子を検出器に導いて検出するのに役立ちます。これらのファンネルの主な機能は、サンプルホルダーの外部や高圧セルなどの実験内の他の機器からの中性子散乱など、データ取得を妨げる漂遊中性子の数を減らすことです。

このプロセス中、不要な中性子のほとんどは奇妙な角度でコリメータ内のチャネルに入り、チャネルの壁（ブレードとも呼ばれる）によって吸収されます。ブレードはボウリングレーンのガターのような役割をし、ピンに届かなかったボールをキャッチします。

△3Dプリントコリメータを開発したチームには、（左から）ファヒマ・イスラム、ビアンカ・ハベル、ギャレット・グランロスが含まれる。
「より複雑な環境でより小さな材料サンプルを使用する傾向があり、その結果、より多くの中性子がサンプルと相互作用せず、サンプルから散乱されないようになる」とオークリッジ国立研究所の核破砕中性子源（SNS）の中性子科学者ファヒマ・イスラム氏は述べた。

イスラム氏はさらにこう付け加えた。「これらの不要な中性子は、データに望ましくない特徴を生み出す可能性があります。そのため、私たちは、さまざまな種類の中性子散乱実験でこれらの望ましくない背景の特徴をフィルタリングするようにカスタム設計できる 3D プリントコリメータの製造に取り組んでいます。」

△研究チームの論文は、Nuclear Instruments and Physics Research Methods誌に掲載されました。研究タイトルは「複雑な中性子散乱環境向けに設計された、高度な製造技術による3Dカスタマイズ炭化ホウ素コリメータ」（ポータル）
3D プリントによるカスタム炭化ホウ素コリメータ

チームはオークリッジ国立研究所の製造デモンストレーション施設（MDF）の専門家と協力し、バインダージェッティングと呼ばれる3Dプリント方法を使用しました。この付加製造プロセスでは、粉末材料を使用して部品やツールを作成します。この精密なプロセスでは、紙に印刷するのと同様に、オブジェクトが完成するまでデジタル設計に従って部品を層ごとに構築します。

チームが直面した一つのハードルは、完成品の精度を維持しながら、印刷されたコリメータのサイズを拡大することでした。サンプルとテスト用に選択された複雑な圧力セルから散乱した中性子をより多く捕捉するには、大型のコリメータが必要です。サンプルは加圧環境下で不透明なサンプル容器に封入されており、これにより多数の不要な中性子が強く散乱し、科学者が求めている弱いデータ信号に干渉します。

「カスタム 3D プリントコリメータの使用可能性を実証するために、ダイヤモンドアンビルセルに収められた非常に小さなサンプルを使用することにしました。ダイヤモンドアンビルセルは、ダイヤモンドを使用して材料を圧縮する高圧チャンバーです」と、SNS の中性子散乱科学者であるビアンカハベル氏は説明します。「これらのセルの中には、非常に複雑で堅牢なものもあり、地球の中心に近い圧力を生成できます。」

「実際、高電圧セルは中性子実験で使用される最も複雑な環境の1つであるため、そこから生じる大量の不要なセル散乱を除去することは非常に困難です」と彼女は強調した。

△3Dプリントされた「フランケンシュタインデザイン」コリメータの画像には、さまざまなコンポーネントが接続されている「傷跡」がはっきりと写っています。
設計で遭遇した問題

コリメータの設計の科学は一般的によく理解されているため、チームが最初にこのような小さなサンプルのコリメータを 3D プリントしようとしたとき、チャネルを形成する前面と背面の連続ブレードを保持したまま、プリント部品のサイズを単純に拡大しました。バインダージェット 3D プリンターは、約 12 x 9 x 9 インチの一体型バージョンを印刷することができ、機器内に収まりながら中性子を検出器に導く能力を最大限に高めました。

残念ながら、3D 印刷プロセスのスケールアップの複雑さにより、印刷された部品の精度に影響が及び、ビームラインでの使用には適さなくなりました。

「印刷プロセスをさらに最適化せずに、連続ブレードを備えた 1 つの大きな部品に印刷を単純に拡大することは明らかに実現不可能でした」と中性子散乱科学者のギャレットグランロスは述べています。「そこで、複数の小さな部品を印刷し、それらを手作業で組み立てて完全なコリメータにするという新しいコンセプトを思いつきました。小さな部品を使用する主な理由は、単一部品設計で観察された亀裂が、主に凝固および冷却中の材料収縮のばらつきによって発生したためです。全体のサイズを小さくすることで、個々の部品の冷却がより均一になりました。」

研究チームは、サンプル側の端から検出器側の端まで徐々に狭くなる交互ブレード設計を採用した。この構成により、チャネルサイズを縮小しながらブレード密度を高め、3D プリントのサイズ関連の制限を回避できます。ブレードが個々のコンポーネント間の境界を越えないようにすることで、組み立て時にコンポーネント間の位置ずれの影響を受けにくくなります。

テスト結果

このアプローチを使用して、チームはプロジェクト用に開発された高度な計算方法を使用して実験全体をシミュレートし、コリメータのパフォーマンスを最適化しました。シミュレーションによって生成された設計は、追加のエンジニアリング設計を必要とせずに、直接生産に投入できます。

3D プリントされた交互リーフコリメータの性能は、専用の高圧中性子回折計 SNAP (Spallation Neutron and Pressure ビームライン) で評価されました。実験により、コリメータの位置合わせは極めて敏感であることが示されており、ビームライン上のコリメータの製造と配置には超高精度が必要であることが強調されています。

コリメータが正確に調整されると、細胞の散乱を超える相対的なサンプル信号の増加が可能になり、概念が実証されました。科学者たちはまた、製造品質管理の強化や、パフォーマンスをさらに向上させるための調整の改善など、将来的な改善の余地がある分野も特定しました。この研究では、モデリングと高度な製造技術を組み合わせることで、中性子散乱装置をカスタマイズし、中性子科学を進歩させる新しい方法を見つけます。

オークリッジ国立研究所の新しい研究により、オールインワンの中性子コリメータを3Dプリントすることが可能になった。

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