Исследователям удалось выполнить 3D-печать медных компонентов для ускорителя заряженных частиц

Удобнее, выгоднее и легче: Исследователям удалось выполнить 3D-печать медных компонентов для ускорителя заряженных частиц

Международная команда исследователей Института материаловедения и лазерных технологий Фраунгофера разрабатывает в рамках исследовательского проекта ЕС ускоритель заряженных частиц из медных компонентов, созданных в технике 3D-печати. Благодаря этому ускоритель станет легче, удобнее и доступнее. Для производства исследователи расплавили чистый медный порошок зеленым лазером и произвели компоненты с помощью аддитивной технологии.

Ускорители заряженных частиц находят применение в области физики, химии, медицины, промышленности и в других сферах. Однако они дорогие, тяжелые и неудобные в использовании. Команда исследователей создала новый ускоритель в рамках проекта «I.FAST». Согласно пресс-релизу Института материаловедения и лазерных технологий Фраунгофера он состоит из медных элементов, выполненных в технике 3D-печати, и будет доступен даже для небольших больниц, аэропортов и лабораторий. Европейская комиссия софинансировала проект по программе Горизонт 2020. 

Особенности ускорителя заряженных частиц, выполненного в технике 3D-печати

Рис. Высокочастотный зеленый лазер растапливает в Институте материаловедения и лазерных технологий Фраунгофера в Дрездене флюсовую подушку из чистой меди, в результате чего образуется четвертной сегмент квадруполя (на рис.) (рисунок © Кристоф Вильснак/IWS Фраунгофера)

Ускоритель заряженных частиц представляет собой результат работы исследователей Института материаловедения и лазерных технологий Фраунгофера (IWS), Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) в Швейцарии, латвийского Рижского технологического университета (RTU) и Политехнического института Милана (PoliMi). Он открывает новые перспективы в таких областях, как медицинская техника – для лечения опухолей или анализа материалов в искусстве – для изучения творений великих мастеров.

Принцип «высокочастотный радиочастотный квадруполь» (High Frequency Radio Frequency Quadrupole, HF-RFQ), используемый также при автоматическом контроле наличия наркотических средств и оружия в аэропортах, является основой нового ускорителя заряженных частиц. 3D-печать медных элементов обеспечивает существенное сокращение производственного цикла, а также экономию материала. Для производителей это основные составляющие успеха нового ускорителя.

Самира Грубер, эксперт в области аддитивной технологии обработки меди и медных сплавов Института материаловедения и лазерных технологий Фраунгофера, рассказывает:

«Становится возможным, например, быстрое производство прототипов. Это может внести существенный вклад в развитие технологии ускорения».

Преимущества

Высокочастотные квадруполи с четырьмя переменно полярными электродами располагаются как лепестки вокруг центральной траектории частиц. Если на систему подается переменное напряжение, образуются быстропеременные электрические поля, благодаря которым частицы перемещаются вперед и назад между волнистыми концами электродов. Так они медленно достигают скорости света. По сравнению с другими аналогичными установками кольцевые ускорители имеют достаточно небольшие размеры, примерно с жилую комнату.

Длительно работающие ускорители заряженных частиц производят большое количество отработанного тепла. Они состоят из множества отдельных элементов, и их производство является дорогостоящим. Чтобы изменить данную ситуацию, исследователи ищут альтернативу и расплавляют чистый медный порошок с помощью зеленого лазера. Таким образом, они производят из этого сплава металла четвертной сегмент квадруполя, что позволяет экономить материал во всех местах, где конструктивные элементы не должны быть очень прочными. При классической обработке металла такая оптимизация производства элементов очень затратна или плохо реализуема. При аддитивной технологии производство осуществляется гораздо быстрее и с меньшими затратами материала.

Рис. При аддитивной технологии производство осуществляется гораздо быстрее и с меньшими затратами материала (на рис.: четвертной сегмент квадруполя) (рисунок © Кристоф Вильснак/IWS Фраунгофера)

Рис. Ускорители заряженных частиц состоят из множества отдельных элементов, и их производство является дорогостоящим (на рис.: квадруполь в классическом исполнении) (рисунок © CERN).

Перспективы

На следующем этапе исследователи планируют увеличить монтажное пространство лазерных плавильных установок, благодаря чему станет возможным производить целые сегменты квадруполей в технике 3D-печати. Ученые также изучают возможность и способы устранения в дальнейшем небольших повреждений ускорителя, возникших в результате износа, с помощью аддитивных технологий. Тем самым они стремятся предотвратить отбраковку целых конструктивных элементов. Кроме того, исследователи изучают возможность использования других материалов и элементов.