3Д печать ускоряющих структур, новые технологии

  Принцип высокочастотной квадрупольной фокусировки пучка протонов (RFQ) одно из значимых открытий в физике и технике ускорителей ХХ века, сделанных российскими учёными Тепляковым В.А. и Капчинским И.М.
  В настоящее время линейные ускорители протонов и ионов с RFQ фокусировкой широко используются в инжекционных каскадах ускорительных комплексов, выполняющих фундаментальные и прикладные исследования.
  Первым ускорителем с начальной частью инжектора с RFQ был УРАЛ-30, разработанный в лаборатории Теплякова. Главными элементами начальной части были волновые электроды, определяющие динамику пучка и 2х камерные резонаторы. В течение нескольких лет проводился поиск и отработка технологии изготовления и монтажа ускорительного канала.
  Более подробно я хотел бы остановится на волновых электродах, имеющих наиболее сложные пространственные поверхности. Электроды изготавливались отдельно и монтировались с высокой точностью на бортах резонаторов.
  Первые электроды выполнялись в виде точных цилиндрических деталей переменного сечения разной длины на станках ЧПУ на заводе Металлист в Серпухове. В 80-х там впервые появились импортные станки, обеспечивающие высокую точность. Однако цилиндрическая форма электродов усложняла последующий монтаж и юстировку канала.
Позднее для обеспечения высокоточного изготовления электродов в отделе линейных ускорителей института физики высоких энергий был установлен высокоточный фрезерно расточной станок МН-1000 фирмы МАНО. и появилась возможность выполнять сложные поверхности электродов необходимой формы, удобной для монтажа. Более того, мы научились проводить монтаж этих электродов на бортах резонаторов с высокой точностью, используя данный станок с измерительной головкой в шпинделе. Это позволило значительно упростить последующий монтаж ускорительного канала инжектора.
  Так случилось, что позднее работая в Германии мне пришлось участвовать в проекте начальной части для лаборатории в Окридже (SNS RFQ). Конструкция начальной части повторяла конструкцию Теплякова, но была выполнена на новом технологическом уровне. Резонаторы и электроды выполнялись как единое целое из чистой меди на фрезерно-расточных станках с ЧПУ в виде 4х отдельных частей, образующих после вакуумной пайки ускоряющий канал. Это было определённое технологическое достижение, несмотря на все сложности обеспечения высокой точности при вакуумной пайке.
 Настоящую революцию в технике произвела разработка технологии 3х мерного изготовления изделий. В случае наших электродов для высокочастотной квадрупольной фокусировки появилась возможность изготовления ускоряющей структуры из меди с высокой точностью на 3Д-принтере.
TRUMPF печатает медный радиочастотный
квадруполь для ЦЕРН
  Немецкая машиностроительная компания TRUMPF показала довольно большую медную печатную деталь, предназначенную для использования в ускорителях частиц. Компонент высотой почти 400 мм был напечатан в рамках проекта под названием I.FAST (Содействие инновациям в ускорительной науке и технике). I.FAST стремится продвигать инновации в сообществе ускорителей частиц, намечая и способствуя разработке революционных технологий, общих для нескольких платформ ускорителей.
Проект, финансируемый ЕС, разделен на 14 различных рабочих пакетов (РП), причем РП10 посвящен технологиям аддитивного производства, которые помогут в производстве и ремонте компонентов ускорителя.
  Одним из таких компонентов, полученных в результате WP, является радиочастотный квадруполь (RFQ), который представляет собой сложную часть линейного ускорителя, используемого для ускорения пучков частиц одного вида ближе к скорости света. Команда I.FAST ранее изготавливала квадруполь из 4 меньших сегментов, но это первый раз, когда деталь была напечатана как единое целое.
 «Это доказательство того, что крупные медные компоненты высотой около 400 миллиметров могут быть изготовлены с достаточной точностью с помощью наших машин — или, другими словами: с помощью 3D-печати мы можем производить даже такие высокоточные детали быстрее, дешевле и энергоэффективнее», — сказал Михаэль Тильманн, специалист по аддитивным технологиям компании TRUMPF.
 Ускорители частиц используются не только для изготовления машин судного дня в обратных скважинах — по данным I.FAST, в настоящее время в мире работает более 30 000 из них, причем подавляющая часть из них используется в здравоохранении и промышленности. В наши дни линейные ускорители настолько компактны и экономичны, что их можно приобрести и установить даже в небольших больницах. I.FAST стремится продвигать инновации этих небольших систем с помощью AM, чтобы они стали доступными для здравоохранения в целом.
«Аддитивное производство может помочь уменьшить размер и стоимость всех типов ускорителей за счет улучшения и сокращения времени их изготовления и повышения их производительности», — сказал Маурицио Вретенар, координатор проекта в I.FAST.
      Зеленый лазер
 RFQ был разработан командой специально для печати на зеленой версии Trumpf TruPrint 5000. Она называется зеленой версией, потому что в ней используются зеленые лазеры, понимаете? Медь используется из-за ее превосходной тепло- и электропроводности. По-видимому, использование этих компонентов приводит к образованию большого количества отработанного тепла, которое необходимо отводить от системы.
 «Именно здесь наша зеленая версия TruPrint 5000 вступает в свои права. Благодаря зеленому лазеру мы можем печатать даже самые тонкие медные конструкции с высоким и стабильным качеством и повышенной производительностью», — сказал Тильманн.
 Традиционно RFQ изготавливались с помощью фрезерования и пайки. Естественно, на этом пути есть много этапов контроля качества и других этапов сборки, что значительно увеличивает стоимость производства таких компонентов. 3D-печать детали в виде одной детали сокращает много времени, усилий и денег из производственного процесса.
 Использование аддитивного производства также позволило создать дополнительную геометрическую сложность детали, в которой предусмотрены каналы охлаждения, напечатанные на детали.
Медь поглощает зеленый лазерный свет лучше, чем инфракрасный лазерный свет, что делает ее более простой и эффективной в обработке. Зеленые лазеры потребляют меньше энергии для выполнения той же работы и в результате могут печатать медью быстрее.
 «С нашим зеленым лазером мы также быстрее аддитивного производства медных компонентов, чем сопоставимые системы с инфракрасной технологией», — сказал Тильманн.
 Линейные ускорители можно использовать для протонной терапии опухолей брюшной полости или головного мозга, а также для производства медицинских изотопов. ЦЕРН изучает другие варианты использования таких ускорителей, включая анализ материалов с целью изучения художественных шедевров.