L'article de l'équipe est publié dans la revue Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment .

Les collimateurs sont des composants importants utilisés dans la diffusion des neutrons. Semblables aux rayons X, les neutrons sont utilisés pour étudier l’énergie et la matière à l’échelle atomique. Les collimateurs de neutrons peuvent être considérés comme des entonnoirs qui aident à guider les neutrons vers un détecteur après leur interaction avec des échantillons expérimentaux. Ces entonnoirs servent principalement à réduire le nombre de neutrons parasites qui interfèrent avec la collecte de données, par exemple les neutrons qui se dispersent sur les porte-échantillons ou provenant d'autres appareils utilisés dans l'expérience tels que les cellules à haute pression.

Au cours de ce processus, la plupart des neutrons indésirables, ceux diffusés à partir d'éléments autres que l'échantillon, pénètrent dans les canaux à l'intérieur des collimateurs sous des angles impairs et sont absorbés par les parois des canaux, également appelées lames. Les lames agissent comme les gouttières d'une piste de bowling, qui capturent les boules de bowling qui ne se dirigent pas vers les quilles.

"La tendance de la recherche à utiliser des échantillons plus petits de matériaux dans des environnements plus complexes aboutit à un plus grand nombre de neutrons qui n'interagissent pas avec l'échantillon et ne se diffusent pas à partir de l'échantillon", a déclaré Fahima Islam, auteur principal de l'étude et scientifique en neutronique à l'université. Source de neutrons de spallation d'ORNL, ou SNS.

"Ces neutrons indésirables produisent des signatures indésirables dans les données, c'est pourquoi nous avons travaillé pour produire un collimateur imprimé en 3D qui pourrait être conçu sur mesure pour filtrer ces caractéristiques d'arrière-plan indésirables lors de différents types d'expériences de diffusion de neutrons."

L'équipe a collaboré avec des experts du Manufacturing Demonstration Facility, ou MDF, d'ORNL, pour utiliser une méthode d'impression 3D appelée jet de liant. Ce processus de fabrication additive permet de fabriquer des pièces et des outils à partir de matériaux en poudre. Semblable à l'impression sur papier, le processus de précision construit la pièce couche par couche, sur la base d'une conception numérique, jusqu'à ce que l'objet soit terminé.

L’un des obstacles auxquels l’équipe était confrontée consistait à augmenter la taille du collimateur imprimé tout en conservant la précision du produit fini. Un grand collimateur était nécessaire pour capturer un plus grand nombre de neutrons diffusés par l'échantillon et la cellule de pression complexe choisie pour le test. Dans un environnement sous pression, l'échantillon est enfermé dans un récipient d'échantillon non transparent, ce qui provoque la forte diffusion d'un nombre important de neutrons indésirables de manière à dominer le signal de données le plus faible recherché par les scientifiques.

"Pour démontrer la viabilité de l'utilisation de collimateurs personnalisés imprimés en 3D, nous avons décidé d'utiliser un très petit échantillon contenu dans une cellule à enclume en diamant, une chambre à haute pression qui utilise des diamants pour presser les matériaux. Certaines de ces cellules sont si complexes et forts qu'ils sont capables de produire des pressions proches de celles du centre de la Terre", a déclaré Bianca Haberl, auteur correspondant de l'étude et scientifique en diffusion de neutrons au SNS.

"En fait, les cellules à haute pression font partie des environnements les plus complexes utilisés dans les expériences neutroniques. C'est donc un véritable défi de filtrer l'énorme quantité de dispersion cellulaire indésirable qu'elles produisent."

Les principes scientifiques de conception des collimateurs sont généralement bien compris, c'est pourquoi la première tentative de l'équipe d'imprimer en 3D un collimateur pour un si petit échantillon impliquait simplement d'augmenter la taille de la pièce imprimée tout en conservant les lames continues d'avant en arrière qui formaient les canaux. L'imprimante 3D à jet de liant a permis d'imprimer la version monobloc à des dimensions d'environ 12 x 9 x 9 pouces, ce qui maximise la capacité de diriger les neutrons vers le détecteur tout en restant inséré dans l'instrument.

Malheureusement, la complexité de la mise à l'échelle du processus d'impression 3D a altéré la précision de la pièce imprimée à un tel degré qu'elle n'était pas adaptée à son utilisation sur la ligne de lumière.

"La simple mise à l'échelle de l'impression sous la forme d'une grande pièce avec des lames continues n'était clairement pas réalisable sans optimiser davantage le processus d'impression", a déclaré Garrett Granroth, co-auteur et scientifique en diffusion neutronique au SNS. "Un nouveau concept a ensuite été développé pour imprimer plusieurs pièces plus petites, puis les assembler manuellement dans un collimateur complet. La principale raison de l'utilisation de pièces plus petites est que la fissuration observée dans la conception en une seule pièce était principalement due aux variations du taux de contraction du matériau. pendant le processus de durcissement et de refroidissement. En réduisant leur taille globale, les pièces individuelles se sont refroidies plus uniformément."

Une conception à lames alternées avec des lames de plus en plus serrées, de l'extrémité faisant face à l'échantillon à l'extrémité faisant face au détecteur, a été utilisée à la place. Cette configuration permettait une densité de pales plus élevée avec des tailles de canaux réduites et évitait certaines limitations d'impression 3D liées à la taille. En garantissant que les pales ne franchissaient pas la limite entre les pièces individuelles, la conception était moins sensible au désalignement entre les pièces lors de l'assemblage.

En utilisant cette approche, l'équipe a optimisé les performances du collimateur en simulant l'intégralité de l'expérience à l'aide de méthodes informatiques avancées développées pour le projet. La simulation a produit une conception qui pourrait être directement mise en production sans ingénierie supplémentaire.

Les performances du collimateur à lames alternées imprimé en 3D ont été évaluées sur SNAP, la ligne de lumière Spallation Neutron and Pressure, un diffractomètre à neutrons haute pression dédié. Les expériences ont révélé une extrême sensibilité à l'alignement du collimateur, soulignant la nécessité d'une très haute précision dans la fabrication et le positionnement du collimateur sur la ligne de lumière.

Une fois le collimateur aligné avec précision, il a permis l’augmentation souhaitée du signal relatif de l’échantillon par rapport à la diffusion cellulaire, prouvant ainsi le concept. Les scientifiques ont également identifié des domaines nécessitant un affinement futur, notamment de nouvelles améliorations grâce à un contrôle de qualité de fabrication plus strict et un alignement amélioré. En combinant modélisation et fabrication avancée, l'étude a identifié un nouveau moyen de personnaliser les instruments de diffusion des neutrons et de faire progresser la science neutronique.