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在中子科学领域，揭示材料在原子水平上的秘密取决于精密的工具。奥克岭国家实验室（ORNL）的研究人员通过开发一种新颖的3D打印中子准直器设计方法，在这一领域取得了突破。这些关键组件实现了中子准直，这是中子散射实验中的关键步骤，使科学家能够研究原子尺度的材料。这种新方法利用先进的3D打印技术创建高度精密的多部件准直器，克服了传统单件设计所遇到的限制。
传统上，制作单件准直器的挑战一直面临重重困难。然而，由奥克岭国家实验室散裂中子源的中子科学家法希玛·伊斯兰领导的专家团队通过他们所称的“弗兰肯斯坦设计”策略发现了一种新颖的解决方案。该团队选择3D打印多个组件，而不是试图生产一个大型的整体结构，这些组件可以轻松地组装成一个统一的准直器。
准直器类似于专用漏斗，对于引导和过滤中子朝向探测器至关重要，从而在实验过程中最小化不必要的干扰。未能与样品材料发生相互作用或从表面散射的中子可能会扭曲数据，因此需要精确的准直来隔离所需的信号。一个完全可定制的3D打印准直器可以提供所需的改进精度。伊斯兰谈到未经过滤的中子时表示：“这些不需要的中子会在数据中产生不良的特征，这就是为什么我们致力于生产一种可以根据不同类型的中子散射实验定制设计以过滤掉这些不受欢迎的背景特征的3D打印准直器。”
为了实现这种精度，奥克岭国家实验室的制造示范设施团队采用了粘结剂喷射3D打印机。这种方法非常适合，因为它既具有灵活性，又能够创造出复杂形状和复杂结构所需的精密设计。
在制作单件准直器时经常遇到的一个重大挑战是在保持尺寸精度的同时扩大零件的尺寸。在涉及高压环境的实验中，需要更大的准直器来有效捕获散射的中子。然而，传统的缩放方法证明是不够的，因为更大的准直器可能会产生不够精确的数据，并且在实验过程中容易断裂，促使团队探索3D打印作为另一种选择。
“仅仅将打印物放大为一个具有连续叶片的大型部件，显然在进一步优化打印过程之前是不可行的，”SNS的中子散射科学家加勒特·格兰罗斯补充道。“使用较小的部件的主要原因是，单件设计中观察到的开裂主要是由于材料在固化和冷却过程中的收缩速率变化。通过减小它们的整体尺寸，各个部件的冷却更加均匀。”
奥克岭国家实验室的散裂中子和压力波束线设施对新准直器设计的有效性进行了评估。研究团队表示，结果令人印象深刻，显示出了数据质量的显著改善。
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