弗劳恩霍夫通过3D打印解决新型激光等离子体加速的关键挑战

| 3DScienceValley · 2022/09/17

根据3D科学谷的市场了解，粒子加速器和真空设备中都需要一种导电性和导热性能良好的零部件，铜金属是适合这些应用的材料，因而在这一领域被广泛使用。

这些应用对于铜的纯度、密度和冶金性能（如晶体学纹理和晶粒尺寸）方面要求高，需要接近理论上可达到的最高质量。从制造的角度上来看，需要复杂的设计和广泛的冶金工艺路线，然后将多个组件组装、钎焊或焊接成最终零件。在传统制造工艺中，每个铜组件都是单独加工然后再焊接组装的，将多个零件钎焊在一起需要大量时间，精度和维护，而且两种相连的材料之间可能存在潜在的质量隐患。3D打印由于其成就结构一体化零件的优势，正在解决新型激光等离子体加速的关键挑战。

“SPLASHH”项目团队
© Fraunhofer IAPT

近日，DESY、弗劳恩霍夫Fraunhofer IAPT 和 TUHH-汉堡科技大学宣布通过其“SPLASHH”项目共同推进使用 3D 打印的紧凑型粒子加速器的开发。

根据3D科学谷的市场了解，这是汉堡地区提供的国家创新资金的一部分。在“SPLASHH”项目的支持下，三个项目合作伙伴设定了共同开发制造紧凑型加速器技术的目标。他们将研究使用 3D打印-增材与减材制造结合的方式加工铜和蓝宝石玻璃材料。该项目现已正式启动，项目资金是50万欧元。

紧凑型
激光等离子加速器的进一步发展

该项目旨在解决新型激光等离子体加速的关键挑战，这是新一代紧凑型粒子加速器的一项创新技术，与传统加速器有根本不同，在这个过程中，借助强激光脉冲和氢气等离子波，电子在蓝宝石小片中仅几厘米的距离内被非常强烈地加速。

激光等离子加速器可以实现比当今使用的最强大机器高出一千倍的加速度，另一个关键优势是低成本和紧凑的设计。

然而，等离子体加速器的新技术需要全新的设计理念和复杂、高精度的组件几何结构来构造等离子体，就像今天的现代加速器模块必须具有特定的形状才能发挥其功能一样。

作为解决方案，“SPLASHH”的三个项目合作伙伴希望使用功能优化的组件和参与技术。使用基于L-PBF基于粉末床的选区激光熔融金属3D打印技术，弗劳恩霍夫Fraunhofer IAPT 正在开发3D 打印铜支架。汉堡技术大学正在通过选择性激光诱导蚀刻 (SLE) 方法提供结构化蓝宝石玻璃毛细管。最后，DESY 通过其高分辨率同步加速器分析来确保组件的质量，从而可以精确理解和验证 3D 打印过程和3D组件。

3D打印技术具有许多优势，例如以低材料投入生产复杂形状和组件。该项目为汉堡地区推动 3D 打印工业化向生产就绪型增材制造技术迈进提供了重要推动力，为汉堡大都市地区的科研机构和工业网络的进一步发展以及 3D 打印的进一步发展奠定基础。

为了实现科学与工业的紧密结合，该项目提前赢得了来自汉堡制造技术、材料生产、生物技术和半导体行业等领域的若干企业作为支持者。

正在“加速”的
3D打印粒子加速器的研究

根据百度百科，粒子加速器（particle accelerator）全名为“荷电粒子加速器”，是使带电粒子在高真空场中受磁场力控制、电场力加速而达到高能量的特种电磁、高真空装置。是人为地提供各种高能粒子束或辐射线的现代化装备。

日常生活中的常见的粒子加速器有用于电视的阴极射线管及X光管等设施。一部分低能加速器用于核科学和核工程，其余的则广泛用于化学、物理及生物的基础研究。一直到辐射化学，射线照相、活化分析、离子注入、射线治疗、同位素生产、消毒杀菌、焊接与熔炼、种子及食品的射线处理以及国防等国民经济的各个领域。

根据3D科学谷的市场观察，世界范围内3D打印正在成就下一代粒子加速器。3D科学谷此前分享的《纯铜3D打印工艺在加速器和真空设备组件制造中的应用探索》一文中指出，美国SLAC国家加速器实验室、北卡罗来纳州立大学等机构的研究人员，通过改善铜粉末表面质量和电子束熔融（EBM）3D打印技术，克服纯铜材料增材制造领域的挑战。

研究团队在设计3D打印铜组件时利用了这一优势，他们在研究过程中设计了一款集成内部冷却通道的速降管组件（如图），速降管是一种可放大射频信号的专用真空管，这一功能集成组件的热传递性能得到改善。

金属3D打印技术为铜组件的设计优化带来了空间，不过铜的增材制造是充满挑战的。铜的高导热率可迅速从熔池中带走热量，从而促进局部和整体形成高热梯度，残余应力累积和失真。固结材料与周围粉末床之间的热导率显著差异加剧了变形和扭曲。熔池的快速固化和熔融铜的低粘度，也易于导致气孔等缺陷。

根据3D科学谷的市场观察，Fraunhofer旗下的另外一家研究所也涉及3D打印粒子加速器的研究，此前，欧盟委员会的 Horizon 2020（欧洲地平线2020计划），弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所Fraunhofer IWS 与瑞士的欧洲核研究组织 (CERN)、拉脱维亚的里加科技大学 (RTU) 和米兰理工大学 (PoliMi) 一起专注于基于激光的3D 打印：作为 I.FAST 项目的一部分，旨在加强加速器的创新。研究人员在全球范围内首次成功地使用纯铜增材制造直线加速器的基本四极杆组件。

传统方式制造的四极杆的生产过程一直非常复杂：它们由半成品铣削成型，然后由大量单个零件组装而成。根据3D科学谷的了解，从制造的角度上来看，这需要复杂的设计和广泛的冶金工艺路线，然后将多个组件组装、钎焊或焊接成最终零件。在传统制造工艺中，每个铜组件都是单独加工然后再焊接组装的，将多个零件钎焊在一起需要大量时间，精度和维护，而且两种相连的材料之间可能存在潜在的质量隐患。

因此，Fraunhofer IWS、RTU 和 PoliMi 的研究人员现在开发了一种替代方案：他们用绿色激光熔化纯铜粉，这些铜材料形成了四极杆的四分之一部分。在3D打印过程中，可以节省不需要部件强度的材料。另一方面，在传统的金属加工方法中，这种部件优化非常耗时，在某些地方甚至根本不可行。因此，新的生产方法减少了铜消耗，并提供了可以在一天内组装的更轻的四极杆段。

科学为人类创造更可持续发展，更加美好的生活，关于Fraunhofer研究所等机构的前沿研究，3D科学谷将保持持续关注！

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