यह शोध लेजर प्लाज्मा एक्सेलेरेटर के लिए गैस जेट नोजल के उत्पादन में एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग तकनीक के अनुप्रयोग की जांच करता है। इसका मूल चुनौती प्लाज्मा घनत्व वितरण का सटीक नियंत्रण है, जो लेजर वेकफील्ड एक्सेलेरेशन में इलेक्ट्रॉन इंजेक्शन, त्वरण और बीम क्वालिटी के अनुकूलन के लिए महत्वपूर्ण है। पारंपरिक विनिर्माण तकनीकें प्रायः प्रयोगात्मक गतिविधियों में आवश्यक जटिल और तेजी से विकसित होने वाले नोजल डिजाइनों को पूरा करने में असमर्थ होती हैं। यह अध्ययन मूलभूत और जटिल नोजल डिजाइनों के निर्माण में तीन प्रमुख 3D प्रिंटिंग तकनीकों—फ्यूज्ड डिपोजिशन मॉडलिंग, स्टीरियोलिथोग्राफी और सेलेक्टिव लेजर सिंटरिंग—के प्रदर्शन की तुलना करता है। नोजलों को इंटरफेरोमेट्री द्वारा अभिलक्षणित किया गया और एप्लाइड ऑप्टिक्स लेबोरेटरी की "Salle Jaune" टेरावाट लेजर प्रणाली में इलेक्ट्रॉन त्वरण प्रयोगों के माध्यम से मान्य किया गया।
कण त्वरक विज्ञान और उद्योग के क्षेत्र में मूलभूत उपकरण हैं। पारंपरिक आरएफ त्वरक क्षेत्र-प्रेरित उत्सर्जन और निर्वात विद्युत भंजन से सीमित हैं, जिनका अधिकतम त्वरण प्रवणता लगभग 100 MV/m है। प्लाज़्मा-आधारित त्वरक, जैसे लेज़र वेकफ़ील्ड त्वरण, पूर्व-आयनीकृत माध्यम का उपयोग करके 100 GV/m से अधिक की त्वरण प्रवणता बनाए रखते हैं, जो अधिक कॉम्पैक्ट और किफायती उच्च-ऊर्जा त्वरक उपकरणों को साकार करने की संभावना रखते हैं।
लेजर वेकफील्ड त्वरण में, एक उच्च-तीव्रता वाली लेजर पल्स कम घनत्व वाले प्लाज़्मा में प्रसारित होती है। लेजर का पोंडरोमोटिव बल इलेक्ट्रॉनों को प्रतिकर्षित करता है, जिससे आवेश पृथक्करण होता है और एक अनुगामी प्लाज़्मा तरंग उत्पन्न होती है। इलेक्ट्रॉनों को इस तरंग के विद्युत क्षेत्र में इंजेक्ट किया जा सकता है और उसके द्वारा त्वरित किया जा सकता है, जिससे मिलीमीटर पैमाने पर ही सापेक्षतावादी ऊर्जाएँ प्राप्त होती हैं।
आयनीकरण के बाद प्रारंभिक गैस घनत्व वितरण प्लाज़्मा वितरण बन जाता है, जो एक महत्वपूर्ण नियंत्रण पैरामीटर है। इस वितरण को अनुकूलित करने से निम्नलिखित संभव होता है:
पारंपरिक मशीनिंग उन्नत नोजल डिज़ाइनों की आंतरिक जटिलताओं से निपटने में असमर्थ है। ऐसे कस्टम घटकों के लिए डिलीवरी का समय आमतौर पर कई सप्ताह से लेकर महीनों तक होता है, जो बड़ी लेजर सुविधाओं में प्रयोगात्मक गतिविधियों की आवश्यक तेज़, पुनरावृत्तीय प्रकृति के साथ असंगत है।
इस अध्ययन ने तीन योगात्मक विनिर्माण तकनीकों का मूल्यांकन किया, प्रत्येक तकनीक के इस अनुप्रयोग में अपने-अपने फायदे हैं।
Process: Thermoplastic filament is extruded layer by layer to form the object.
अनुप्रयोग परिदृश्य: मूल, परिपक्व गैस इंजेक्शन डिजाइन की नकल के लिए उपयोग किया जाता है। कम लागत, तेज टर्नअराउंड, लेकिन आमतौर पर कम रिज़ॉल्यूशन और सतह खत्म।
Process: अल्ट्रावायलेट लेजर द्वारा तरल फोटोसेंसिटिव रेजिन का चयनात्मक ठोसीकरण।
अनुप्रयोग परिदृश्य: अधिक जटिल नोजल डिजाइन के लिए। यह उत्कृष्ट फीचर रिज़ॉल्यूशन और चिकनी सतह परिष्करण प्रदान करता है, जो सटीक गैस गतिकी के लिए महत्वपूर्ण है।
Process: लेजर द्वारा पाउडर सामग्री का सिंटरिंग।
अनुप्रयोग परिदृश्य: यह जटिल डिजाइनों के लिए भी उपयोग किया जाता है। यह मजबूत, एकीकृत भागों का निर्माण करता है जिन्हें सहारा संरचनाओं की आवश्यकता नहीं होती, और जटिल आंतरिक ज्यामिति को साकार करने की अनुमति देता है।
CAD सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके नोज़ल डिज़ाइन करें, जिसकी ज्यामिति सरल सुपरसोनिक नोज़ल से लेकर विशिष्ट घनत्व ढलान या वितरण उत्पन्न करने के लिए डिज़ाइन किए गए अधिक जटिल आकारों तक होती है। डिज़ाइन पूरा होने के बाद, क्रमशः FDM, SLA और SLS उपकरणों का उपयोग करके प्रिंट करें।
प्रत्येक मुद्रित नोज़ल से निकलने वाली गैस के घनत्व वितरण को इंटरफेरोमेट्री द्वारा चित्रित किया जाता है। एक जांच लेज़र बीम गैस जेट से गुजरती है, और परिणामी फेज शिफ्ट को मापा जाता है, जो गैस के घनत्व के समानुपाती होता है। यह वांछित लक्ष्य वितरण उत्पन्न करने में प्रत्येक नोज़ल के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए एक प्रत्यक्ष, मात्रात्मक आधार प्रदान करता है।
नोजल को एप्लाइड ऑप्टिक्स लैबोरेटरी "Salle Jaune" टेरावाट लेजर सिस्टम के वैक्यूम चैम्बर में एकीकृत किया गया। मुख्य लेजर पल्स को गैस जेट पर केंद्रित किया जाता है, जिससे यह आयनित हो जाती है और वेकफील्ड को संचालित करती है। उत्पन्न इलेक्ट्रॉन बीम का चरित्र चित्रण करने के लिए मैग्नेटिक स्पेक्ट्रोमीटर और सिंटिलेशन स्क्रीन का उपयोग किया जाता है।
SLA < SLS < FDM
SLA सबसे चिकनी आंतरिक सतह बनाता है।
SLS/SLA > FDM
SLS और SLA अधिक जटिल आंतरिक विशेषताओं को प्राप्त कर सकते हैं।
कुछ घंटों से लेकर कुछ दिनों तक
सभी 3D प्रिंटिंग विधियां मशीनिंग की तुलना में पुनरावृत्ति समय को काफी कम कर देती हैं।
SLA नोजल सर्वोत्तम सतह परिष्करण प्रदर्शित करता है, जो लैमिनार गैस प्रवाह और पूर्वानुमेय घनत्व वितरण के लिए महत्वपूर्ण है। SLS भाग मजबूत और टिकाऊ होते हैं, लेकिन उनकी सतह थोड़ी दानेदार होती है। FDM भागों में स्पष्ट परत रेखाएं दिखाई देती हैं, जो गैस प्रवाह में व्यवधान उत्पन्न कर सकती हैं।
इंटरफेरोमेट्री ने पुष्टि की है कि SLA और SLS नोजल डिज़ाइन किए गए घनत्व वितरण, ग्रेडिएंट और पठार क्षेत्रों सहित, को सटीक रूप से पुनरुत्पादित कर सकते हैं। FDM नोजल मानक वितरण के लिए पर्याप्त है, लेकिन अधिक परिवर्तनशीलता और कम तीव्र विशेषताएँ दर्शाता है।
मानक नोजल की तुलना में, घनत्व गिरावट ढलान इंजेक्शन के लिए अनुकूलित SLA/SLA नोजल का उपयोग करके किए गए प्रयोगों ने बेहतर इलेक्ट्रॉन बीम विशेषताओं का प्रदर्शन किया: उच्च चार्ज, कम ऊर्जा प्रसार और छोटा विचलन। यह सीधे उन्नत नोजल निर्माण को बेहतर एक्सेलेरेटर प्रदर्शन से जोड़ता है।
लेजर प्रसार की क्रांतिक घनत्व निम्न समीकरण द्वारा दी जाती है:
मुख्य अंतर्दृष्टि: यह लेख केवल 3D प्रिंटिंग नोजल के बारे में नहीं है; यह प्रयोगात्मक प्लाज़्मा भौतिकी में महत्वपूर्ण बाधाओं को तोड़ने के लिए चुस्त, डिजिटल निर्माण को लागू करने का एक उत्कृष्ट उदाहरण है। लेखक सही ढंग से बताते हैं कि लेज़र वेकफील्ड एक्सेलेरेशन में नवाचार की गति विचारों से सीमित नहीं है, बल्कि जटिल लक्ष्य ज्यामिति के भौतिक क्रियान्वयन की क्षमता से सीमित है। 3D प्रिंटिंग को अपनाकर, उन्होंने प्रतिमान को "डिज़ाइन करें, प्रतीक्षा करें, परीक्षण करें" से बदलकर "डिज़ाइन करें, रातोंरात प्रिंट करें, अगले दिन परीक्षण करें" कर दिया। यह अन्य क्षेत्रों में रैपिड प्रोटोटाइपिंग द्वारा लाई गई क्रांति के समान है।
तार्किक संरचना: तर्क प्रक्रिया आकर्षक और स्पष्ट संरचना वाली है। यह मूलभूत भौतिक आवश्यकताओं से शुरू होती है, निर्माण में अड़चन स्थापित करती है, एक समाधान के रूप में 3D प्रिंटिंग का परिचय देती है, विधि का तुलनात्मक तकनीकी-आर्थिक विश्लेषण प्रदान करती है, और महत्वपूर्ण रूप से इलेक्ट्रॉन बीम गुणवत्ता के कठोर प्रायोगिक डेटा के माध्यम से इस पद्धति को सत्यापित करती है। इससे यह कार्य केवल एक तकनीकी प्रदर्शन से आगे बढ़कर प्रदर्शन-उन्मुख मान्यता बन जाता है।
लाभ और सीमाएँ: प्रमुख लाभ एंड-टू-एंड सत्यापन है: CAD फ़ाइल से लेकर मापे गए इलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रा तक। विभिन्न प्रिंटिंग तकनीकों की तुलना इस क्षेत्र के समुदाय के लिए अत्यंत मूल्यवान है। प्रारंभिक अनुप्रयोग-आधारित शोध में एक सामान्य कमी दीर्घकालिक स्थायित्व डेटा का अभाव है। ये पॉलिमर-आधारित नोजल बार-बार होने वाले उच्च दबाव गैस पल्स और सैकड़ों-हजारों लेजर-प्रेरित एब्लेशन चक्रों के तहत कैसा प्रदर्शन करते हैं? धातु SLS का उल्लेख किया गया है लेकिन गहराई से चर्चा नहीं की गई है; यह मजबूत, उच्च-तापीय भार अनुप्रयोगों की ओर एक स्पष्ट अगला कदम दर्शाता है।
क्रियान्वयन योग्य सुझाव: लेजर प्लाज्मा त्वरण में शामिल किसी भी शोध दल के लिए: 1) तत्काल निवेश करेंएक SLA प्रिंटर, जटिल नोजल के त्वरित प्रोटोटाइप निर्माण के लिए। लेजर सिस्टम की लागत की तुलना में इसकी लागत नगण्य है।2) स्थापित करेंसत्यापित नोजल CAD फ़ाइलों का डिजिटल पुस्तकालय – यह एक साझा, निरंतर विकसित होने वाला ज्ञानकोश बनाता है।3) अन्वेषण प्रारंभ करेंअंतिम उच्च पुनरावृत्ति दर लक्ष्य प्रणालियों के लिए धातु योजक निर्माण। लक्ष्य का भविष्य डिजिटल, वितरित और चुस्त है, यह लेख शुरुआत के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है।
केस: घनत्व में कमी ढलान इंजेक्शन के लिए नए नोजल डिजाइन का मूल्यांकन
चरण 1 – भौतिक लक्ष्य को परिभाषित करें: आयनीकरण-प्रेरित इंजेक्शन को ट्रिगर करने के लिए एक तीखा अनुदैर्ध्य घनत्व गिरावट ढलान बनाएं।
चरण 2 – CAD मॉडलिंग: CAD सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके एक विशिष्ट आंतरिक प्रोफ़ाइल वाला नोजल डिज़ाइन करें, जिसकी गणना द्रव गतिकी सिमुलेशन द्वारा भविष्यवाणी की गई है कि यह वांछित गैस वितरण उत्पन्न करेगा।
चरण 3 – निर्माण निर्णय वृक्ष:
चरण 4 – अभिलक्षणीकरण और पुनरावृत्ति:
चरण 5 – प्रयोगात्मक एकीकरण: सत्यापित नोजल को लेजर प्लाज्मा चैम्बर में स्थापित करें, त्वरण प्रयोग करें, और सिमुलेशन परिणामों के आधार पर इलेक्ट्रॉन बीम डेटा का विश्लेषण करें।
यह फ्रेमवर्क 3D प्रिंटिंग द्वारा सक्षम किए गए एजाइल डेवलपमेंट चक्र को औपचारिक रूप देता है।