世界首創(chuàng)：弗勞恩霍夫材料和光束技術(shù)研究所（Fraunhofer IWS）首次為直線加速器打印四極桿組件。這些直線加速器非常緊湊，即使是小型醫(yī)院、機(jī)場和實(shí)驗(yàn)室也能負(fù)擔(dān)得起。為了支持這一發(fā)展，弗勞恩霍夫材料和光束技術(shù)研究所 IWS 與瑞士的歐洲核研究組織 (CERN)、拉脫維亞的里加科技大學(xué) (RTU) 和米蘭理工大學(xué) (PoliMi) 一起專注于基于激光的3D 打印：作為 I.FAST 項(xiàng)目的一部分，旨在加強(qiáng)加速器的創(chuàng)新，并由歐盟委員會的 Horizo??n 2020 計(jì)劃共同資助，研究人員在全球范圍內(nèi)首次成功地用純銅增材制造直線加速器的基本四極桿組件.

這一成功為此類系統(tǒng)的商業(yè)生產(chǎn)和實(shí)際使用開辟了新的前景，其工作原理是高頻射頻四極 (HF-RFQ)。例如，這些系統(tǒng)可用于在機(jī)場進(jìn)行更好、更自動化的毒品和武器檢查。科學(xué)家們看到了 3D 銅打印的巨大潛力：“這種方法將使我們能夠顯著減少制造時(shí)間，”弗勞恩霍夫 IWS 純銅和銅合金增材制造專家 Samira Gruber 預(yù)測。例如，快速原型設(shè)計(jì)將成為推動加速器技術(shù)未來發(fā)展的可能。此外，與傳統(tǒng)工藝相比，增材制造可以節(jié)省材料，從而減少銅的資源消耗。

什么是四極加速器？

如果這些緊湊型加速器要被更廣泛地接受，這些論點(diǎn)將發(fā)揮重要作用。這是因?yàn)榛?CERN 開發(fā)的新技術(shù)的高頻四極桿是新一代設(shè)施的關(guān)鍵組件和起搏器。在四極桿中，四個(gè)交替極化的電極彼此面對，像花瓣一樣圍繞中心粒子軌跡排列。如果用戶施加交流電壓，將建立快速變化的電場。這些場在波浪狀電極尖端之間發(fā)送粒子，使它們越來越接近光速，每個(gè)通過每個(gè)四極桿的“電極花瓣”。與它們通常巨大的地下兄弟（稱為環(huán)形加速器）不同，這些直線加速器通常只占用客廳的空間。

綠色激光使部件優(yōu)化成為可能

由于系統(tǒng)在長期運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量廢熱，因此四極桿由純銅制成。這種金屬非常好地導(dǎo)電和導(dǎo)熱。然而，迄今為止，四極桿的生產(chǎn)一直非常復(fù)雜：它們由半成品銑削成型，然后由大量單個(gè)零件組裝而成。因此，F(xiàn)raunhofer IWS、RTU 和 PoliMi 的研究人員現(xiàn)在開發(fā)了一種替代方案：他們用綠色激光熔化純銅粉。從這種熔融金屬中，它們形成了四極桿的四分之一部分。在此過程中，它們可以節(jié)省不需要部件強(qiáng)度的材料。另一方面，在傳統(tǒng)的金屬加工方法中，這種部件優(yōu)化非常耗時(shí)，在某些地方甚至根本不可行。

綠色激光粉末床融合系統(tǒng)構(gòu)建體積的增加將很快使整個(gè)四極桿段能夠通過 3D 打印生產(chǎn)。盡管如此，現(xiàn)在生產(chǎn)的四分之一段也已經(jīng)能夠用于下一個(gè)項(xiàng)目階段：例如，增材制造的部件具有粗糙的表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此，必須分析原型是否以及如何隨后平滑 3D 打印四極桿，例如，通過等離子體、電化學(xué)或激光拋光。該項(xiàng)目議程還包括測試以確定是否以及如何隨后使用增材制造技術(shù)修復(fù)加速器上的輕微磨損損壞，而無需報(bào)廢整個(gè)組件。”

可用于質(zhì)子治療和自動藥物檢測

畢竟，直線加速器不僅是粒子物理學(xué)家的興趣所在。在醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域，它們可用于針對腹部或大腦中特別隱匿的腫瘤進(jìn)行質(zhì)子治療，以及用于醫(yī)療同位素生產(chǎn)。CERN 正在探索四極加速器的其他應(yīng)用，包括用于檢查藝術(shù)杰作的材料分析。加速器傳達(dá)了大量的市場機(jī)會。據(jù)加州行業(yè)專家 Robert Hamm 和 Marianne E. Hamm 在 2012 年的分析“工業(yè)加速器及其應(yīng)用”中估計(jì)，目前全球約有 30,000 個(gè)加速器在使用中。根據(jù)這項(xiàng)研究，世界各地的公司和機(jī)構(gòu)每年使用這些系統(tǒng)制造和分析價(jià)值 5000 億美元的工業(yè)產(chǎn)品。