La estrategia probada por el tiempo de "dividir y conquistar" adquirió un nuevo significado de alta tecnología durante los experimentos de neutrones realizados por científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía. Descubrieron que los problemas que enfrentaron al intentar imprimir en 3D un colimador de una sola pieza podrían resolverse desarrollando un "diseño de Frankenstein" que involucrara múltiples partes del cuerpo y algunas cicatrices bastante obvias.
El artículo del equipo se publica en la revista Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Sección A:Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment .
Los colimadores son componentes importantes utilizados en la dispersión de neutrones. Al igual que los rayos X, los neutrones se utilizan para estudiar la energía y la materia a escala atómica. Los colimadores de neutrones pueden considerarse como embudos que ayudan a guiar los neutrones hacia un detector después de que interactúan con materiales de muestra experimentales. Estos embudos sirven principalmente para reducir la cantidad de neutrones perdidos que interfieren con la recopilación de datos, por ejemplo, neutrones que se dispersan de los portamuestras o de otros aparatos utilizados en el experimento, como las celdas de alta presión.
Durante este proceso, la mayoría de los neutrones no deseados, aquellos que se dispersan desde características distintas a la muestra, ingresan a los canales dentro de los colimadores en ángulos extraños y son absorbidos por las paredes de los canales, también conocidas como palas. Las palas actúan como los canalones de una pista de bolos, que capturan las bolas que no se dirigen hacia los bolos.
"La tendencia de la investigación hacia el uso de muestras más pequeñas de materiales en entornos más complejos da como resultado una mayor cantidad de neutrones que no interactúan con la muestra y no se dispersan de la muestra", dijo Fahima Islam, autor principal del estudio y científico de neutrónica en Fuente de neutrones de espalación de ORNL, o SNS.
"Estos neutrones no deseados producen firmas no deseadas en los datos, razón por la cual estábamos trabajando para producir un colimador impreso en 3D que pudiera diseñarse a medida para filtrar estas características de fondo no deseadas durante diferentes tipos de experimentos de dispersión de neutrones".
El equipo colaboró con expertos del Centro de Demostración de Fabricación de ORNL, o MDF, para utilizar un método de impresión 3D llamado Binder Jetting. Este proceso de fabricación aditiva construye piezas y herramientas a partir de materiales en polvo. Similar a la impresión en papel, el proceso de precisión construye la pieza capa por capa, basándose en un diseño digital, hasta que el objeto está completo.
Un obstáculo al que se enfrentó el equipo implicó aumentar el tamaño del colimador impreso manteniendo al mismo tiempo la precisión del producto terminado. Se necesitaba un colimador grande para capturar una mayor cantidad de neutrones que se dispersaban de la muestra y de la compleja celda de presión elegida para la prueba. En un ambiente presurizado, la muestra está encerrada dentro de un recipiente de muestra no transparente, lo que hace que una cantidad significativa de neutrones no deseados se dispersen fuertemente de una manera que puede dominar la señal de datos más débil que los científicos están buscando.
"Para demostrar la viabilidad del uso de colimadores impresos en 3D hechos a medida, decidimos utilizar una muestra muy pequeña contenida en una celda de yunque de diamante, una cámara de alta presión que utiliza diamantes para exprimir materiales. Algunas de estas celdas son tan complejas y tan fuertes que son capaces de producir presiones cercanas a las del centro de la Tierra", dijo Bianca Haberl, autora correspondiente del estudio y científica de dispersión de neutrones en SNS.
"De hecho, las células de alta presión son algunos de los entornos más complejos utilizados en experimentos de neutrones, por lo que es un verdadero desafío filtrar la enorme cantidad de dispersión celular no deseada que producen".
Los principios científicos para diseñar colimadores generalmente se comprenden bien, por lo que el primer intento del equipo de imprimir en 3D un colimador para una muestra tan pequeña implicó simplemente aumentar el tamaño de la pieza impresa manteniendo las cuchillas continuas de adelante hacia atrás que formaban los canales. La impresora 3D Binder Jet permitió imprimir la versión de una sola pieza con dimensiones de aproximadamente 12 por 9 por 9 pulgadas, lo que maximizó la capacidad de dirigir neutrones al detector sin dejar de encajar en el instrumento.
Desafortunadamente, las complejidades a la hora de ampliar el proceso de impresión 3D afectaron la precisión de la pieza impresa hasta tal punto que no era adecuada para su uso en la línea de luz.
"Claramente no era factible simplemente ampliar la impresión como una pieza grande con cuchillas continuas sin optimizar aún más el proceso de impresión", dijo Garrett Granroth, coautor y científico de dispersión de neutrones en SNS. "Posteriormente se desarrolló un nuevo concepto para imprimir múltiples piezas más pequeñas y luego ensamblarlas manualmente en un colimador completo. La razón principal para usar piezas más pequeñas es que el agrietamiento observado en el diseño de una sola pieza se debió principalmente a variaciones en la tasa de contracción del material. Durante el proceso de curado y enfriamiento, al reducir su tamaño total, las piezas individuales se enfriaron de manera más uniforme."
En su lugar, se utilizó un diseño de hoja alternativa con hojas progresivamente más apretadas, desde el extremo que mira hacia la muestra hasta el extremo que mira hacia el detector. Esta configuración permitió una mayor densidad de palas con tamaños de canal reducidos y evitó algunas limitaciones de impresión 3D relacionadas con el tamaño. Al garantizar que las palas no cruzaran un límite entre las piezas individuales, el diseño era menos sensible a la desalineación entre las piezas durante el montaje.
Al emplear este enfoque, el equipo optimizó el rendimiento del colimador simulando todo el experimento utilizando métodos computacionales avanzados desarrollados para el proyecto. La simulación produjo un diseño que podría pasar directamente a producción sin ingeniería adicional.
Se evaluó el rendimiento del colimador de cuchillas alternativas impreso en 3D en SNAP, la línea de luz Spallation Neutron and Pressure, un difractómetro de neutrones de alta presión dedicado. Los experimentos revelaron una sensibilidad extrema a la alineación del colimador, lo que enfatiza la necesidad de una precisión ultraalta en la fabricación y el posicionamiento del colimador en la línea de luz.
Una vez que el colimador estuvo alineado con precisión, permitió el aumento deseado en la señal relativa de la muestra sobre la dispersión celular, lo que demostró el concepto. Los científicos también identificaron áreas para refinamiento futuro, incluidas mejoras adicionales a través de un control de calidad de fabricación más estricto y una mejor alineación. Al combinar modelado y fabricación avanzada, el estudio ha identificado una nueva forma de personalizar la instrumentación de dispersión de neutrones y hacer avanzar la ciencia de los neutrones.
Más información: Fahima Islam et al, Fabricación avanzada de colimadores de carburo de boro personalizados en 3D diseñados para entornos complejos para la dispersión de neutrones, Instrumentos y métodos nucleares en la investigación física, Sección A:Aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados (2024). DOI:10.1016/j.nima.2024.169165
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge
