根據(jù)歐洲核子研究組織，目前全世界有超過3萬臺加速器，其中大部分用于醫(yī)療和工業(yè)。增材制造可以優(yōu)化和縮短加速器的制造過程，降低制造成本，在減小加速器占地面積的同時，大幅提高其性能。

壁厚1.2mm的鎢模塊
© CERN

      3D打印用于粒子加速器相關(guān)零件的制造由來已久，2016年，澳大利亞墨爾本大學(xué)的科學(xué)家獲得了3D打印超導(dǎo)諧振腔腔的突破，這在世界范圍內(nèi)屬于首例，超導(dǎo)諧振腔在越來越多的實驗工具用來研究宇宙的性質(zhì)，它們的目的是儲存微波，讓他們耗費(fèi)盡可能少的能量并同時產(chǎn)生共鳴。共鳴的微波能夠加速粒子加速器中的帶電粒子，產(chǎn)生高穩(wěn)定頻率，以實現(xiàn)測量光速等應(yīng)用。

 鎢增材制造模塊

      世界上最大和最強(qiáng)大的粒子加速器，位于CERN歐洲核子研究組織的大型強(qiáng)子對撞機(jī) (LHC)，正在升級為增材制造的鎢模塊，這將使物理學(xué)家能夠以更高的精度研究罕見的過程和現(xiàn)象。五年前，新鎢結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)是不可想象的，通過具有精細(xì)分辨率的 AMCM M 290-2 FDR 系統(tǒng)，CERN歐洲核子研究組織獲得了該實驗裝置所需的高質(zhì)量部件，鎢模塊具有大約 5000 個尺寸為 1.2 x 1.2 x 150 毫米的方孔，是使用 AMCM M 290-2 FDR 增材制造機(jī)器制造的。

壁厚1.2mm的鎢模塊嵌入7×8米的大型壁結(jié)構(gòu)
© CERN

鎢模塊將構(gòu)成大型強(qiáng)子對撞機(jī)電磁量熱儀 (ECAL) 的中心，這是一個 7 x 8 米的大型壁結(jié)構(gòu)，用于測量電子和光子的能量。大型強(qiáng)子對撞機(jī)電磁量熱儀 (ECAL) 由 12 x 12 厘米的模塊組成，計劃用鎢制成的新結(jié)構(gòu)替換最里面的 32 個模塊，這是一個約 0.5 平方米的區(qū)域，那里的條件最具挑戰(zhàn)性且對成功至關(guān)重要。

每個鎢塊都有大約 5000 個 1.2 x 1.2 x 150 毫米的方孔，壁厚為 500 微米，并填充有閃爍纖維。纖維不能被粗糙的表面劃傷，因此鎢壁的表面質(zhì)量必須高。來自德國EOS的AMCM M 290-2 FDR 設(shè)備是一款具有精細(xì)分辨率的粉末床激光熔融 (PBF-LB) 增材制造設(shè)備，適用于此類要求苛刻的應(yīng)用。AMCM M 290-2 FDR 具有兩個 400 瓦激光器和 150 x 220 x 325 毫米的構(gòu)建體積。

粒子加速器和真空設(shè)備中都需要一種導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能良好的零部件，銅金屬是適合這些應(yīng)用的材料，因而在這一領(lǐng)域被廣泛使用。

這些應(yīng)用對于銅的純度、密度和冶金性能（如晶體學(xué)紋理和晶粒尺寸）方面要求高，需要接近理論上可達(dá)到的最高質(zhì)量。從制造的角度上來看，需要復(fù)雜的設(shè)計和廣泛的冶金工藝路線，然后將多個組件組裝、釬焊或焊接成最終零件。在傳統(tǒng)制造工藝中，每個銅組件都是單獨(dú)加工然后再焊接組裝的，將多個零件釬焊在一起需要大量時間，精度和維護(hù)，而且兩種相連的材料之間可能存在潛在的質(zhì)量隱患。因此，3D打印提供了減少組裝的解決方案。

 銅增材制造

2021年，德國Fraunhofer IWS研究所3D打印用于粒子直線加速器的銅四極桿組件，F(xiàn)raunhofer IWS研究所開發(fā)了完整的四極桿設(shè)計，其工作原理是高頻射頻四極 (HF-RFQ)，這些四極電極連接成一排，將質(zhì)子加速到非常高的速度。基于 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。在四極桿中，四個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，通過每個四極桿的“電極花瓣”。與通常巨大的環(huán)形加速器不同，這些直線加速器更緊湊。

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，根據(jù)弗勞恩霍夫 IWS 純銅和銅合金增材制造專家，這種方法將能夠顯著減少制造時間，例如，快速原型設(shè)計將成為推動加速器技術(shù)未來發(fā)展的可能。今天，許多銅零件在通過鍛造或鑄造的制造工藝獲得加工。然而，3D打印-增材制造工藝開辟了生產(chǎn)高度復(fù)雜幾何形狀的新選擇，而這在常規(guī)制造工藝中根本不可能實現(xiàn)。

由于銅的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性非常好，因此，當(dāng)這種金屬可以在3D打印-增材制造系統(tǒng)中進(jìn)行處理，則將對目前和未來的銅產(chǎn)品的設(shè)計與制造構(gòu)成重大改進(jìn)潛力。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。

© 3D科學(xué)谷白皮書

2022年，德國通快集團(tuán)（TRUMPF）以增材制造的方式制造了未來粒子加速器的一個核心部件：射頻四極加速器。它的特別之處在于：首次實現(xiàn)了對這一關(guān)鍵銅部件的整體打印。

© 德國通快

   此前，歐洲核子研究組織乃至整個工業(yè)界制造的射頻四極加速器大多是采用傳動機(jī)加工的方式 —— 許多單獨(dú)的生產(chǎn)步驟，如銑削和釬焊等，時間和成本投入巨大。增材制造的出現(xiàn)，節(jié)省了許多中間步驟。例如，通快3D打印設(shè)備在打印射頻四極加速器時能圍繞空隙進(jìn)行建造，如冷卻通道。

總體來說，3D打印進(jìn)入大型強(qiáng)子對撞機(jī)制造應(yīng)用正在從實驗室研究開發(fā)走向?qū)嶋H應(yīng)用，3D打印讓粒子直線加速器的開發(fā)更加速！

(責(zé)任編輯：admin)

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