3D打印机能否创造出下一代粒子加速器？

可用于粒子加速器的3D打印铜组件示例：X带速调管输出腔，带有微冷却通道。

SLAC的科学家和合作者正在开发3D铜印刷技术来构建加速器组件。

想象一下，无论何时何地，无论身在何处，都能制造出复杂的设备。即使在最偏远的地方，例如在航天器上建造备件或新组件，这也将带来无法预料的可能性。3D打印或增材制造可能就是这样做的一种方式。您所需要的只是设备的制造材料，打印机和控制过程的计算机。

能源部SLAC国家加速器实验室的资深科学家Diana Gamzina；蒂莫西·霍恩（Timothy Horn），北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程学助理教授； RadiaBeam Technologies的研究人员梦想着开发出一种技术，该技术可以打印用于医学成像和治疗，电网，卫星通信，国防系统等的粒子加速器和真空电子设备。

实际上，研究人员比您想象的更接近实现这一目标。

可用于粒子加速器的3D打印铜组件示例：X波段速调管输出腔，带有一组耦合的加速器腔。

Gamzina说：“我们正在尝试打印一种非常雄心勃勃的粒子加速器。”“过去几年来我们一直在开发此过程，如今我们已经可以打印粒子加速器组件了。3D打印的全部要点是，无论您身在何处，都无需太多基础架构即可制造东西。因此，您可以在海军舰船上，小型大学实验室或非常偏远的地方打印粒子加速器。”

3D打印可以使用多种材料的液体和粉末来完成，但尚无成熟的3D打印超高纯度铜及其合金的工艺-Gamzina，Horn及其同事想要使用的材料。他们的研究专注于开发该方法。

必不可少的铜

加速器提高了粒子束的能量，真空电子设备被用于放大器和发生器。两者都依赖于易于成型的组件，并且能很好地传导热和电。铜具有所有这些品质，因此被广泛使用。

传统上，每个铜组件都是单独加工的，并通过加热与其他组件结合，以形成复杂的几何形状。这种制造技术是非常普遍的，但是它有缺点。

“将多个零件和零件钎焊在一起需要大量的时间，精度和维护，”霍恩说。“只要您在两种材料之间建立连接，就可以添加潜在的故障点。因此，需要减少或消除这些组装过程。”

3D铜印刷的潜力

铜组件的3D打印可以提供解决方案。

它的工作原理是将一层薄薄的材料彼此叠放在一起，然后缓慢地构建特定的形状和对象。在Gamzina和Horn的作品中，所使用的材料是极纯的铜粉。

该过程从对象的3D设计或“施工手册”开始。打印机由计算机控制，在平台上散布几微米厚的铜粉层。然后，它将平台移动约50微米（人发厚度的一半），并在第一个铜层上铺开第二个铜层，并用电子束将其加热到约2000华氏度，然后将其与第一层焊接。重复此过程，直到构建完整个对象为止。

使用铜粉对称为行波管的设备层进行3D打印。

令人惊奇的部分：该过程不需要特定的工具，固定装置或模具。结果，3D打印消除了传统制造过程中固有的设计约束，并允许构造非常复杂的对象。

SLAC的科学家Chris Nantista说：“形状对于3D打印并不重要，”他为Gamzina和Horn设计和测试3D打印的样品。“您只需对其进行编程，启动系统，它几乎可以构建您想要的任何东西。它为潜在的形状开辟了一个新的空间。”

该团队利用了这一优势，例如，在速降管的一部分（带有可放大射频信号的专用真空管）的NCSU内部冷却通道中使用了这种方法。一件式地构建它可以改善设备的热传递和性能。

Gamzina说，与传统制造相比，3D打印也更省时，并且可以节省多达70％的成本。

一项具有挑战性的技术

但是印刷铜制设备面临着自己的挑战，正如霍恩（Horn）早在几年前就与RadiaBeam的合作者一起开发这项技术一样。一个问题是在打印物体的热和电性能与强度之间找到适当的平衡。但是，制造加速器和真空电子设备的最大障碍是，这些高真空设备需要极高的质量和纯净的材料，以避免零件故障（例如破裂或真空泄漏）。

研究团队通过首先改善材料的表面质量，使用更细的铜粉并改变了将层融合在一起的方式来应对这些挑战。但是，使用更细的铜粉带来了下一个挑战。它使更多的氧气附着在铜粉上，增加了每层中的氧化物，使打印物体的纯度降低。

因此，Gamzina和Horn必须找到降低铜粉中氧含量的方法。他们最近在《应用科学》上发表了他们提出的方法，该方法依靠氢气将氧气结合成水蒸气并将其驱离粉末。

霍恩说，使用这种方法有些令人惊讶。在传统上制造的铜物体中，水蒸气的形成会在材料内部产生高压蒸汽泡，并且材料会起泡并破裂。另一方面，在添加过程中，水蒸气逐层逸出，从而更有效地释放水蒸气。

尽管这项技术显示出了巨大的希望，但科学家们仍然有一种方法可以降低氧气含量，足以印刷出一种实际的粒子加速器。但是他们已经成功地印刷了一些组件，例如带有内部冷却通道的速调管输出腔以及可用于粒子加速的一系列耦合腔。

计划与行业合作伙伴合作

该项目的下一阶段将由霍恩领导的新组建的增材制造铜特性财团推动。该联盟目前有四个活跃的行业成员-西门子，GE添加剂，RadiaBeam和Calabazas Creek研究-还在继续。

Gamzina说：“这将是一个学术机构，一个国家实验室与大小企业之间合作的一个很好的例子。”“这将使我们能够共同解决这个问题。我们的工作已经使我们能够在不到两年的时间内从“只想像，这太疯狂了”发展到“我们能做到”。

参考：Christopher Ledford，Christopher Rock，Paul Carriere，Pedro Frigola，Diana Gamzina和Timothy Horn撰写的“用于EB-PBF增材制造的加氢处理铜粉的特性和加工”，应用科学，2019年9月24日，应用科学。DOI：
10.3390 / app9193993

这项工作主要由海军海洋系统司令部资助，是与Radiabeam，SLAC和NCSU共同实施的小型企业技术转让计划。SLAC的其他贡献者包括Chris Pearson，Andy Nguyen，Arianna Gleason，Apurva Mehta，Kevin Stone，Chris Tassone和Johanna Weker。来自NCSU的Christopher Ledford和Christopher Rock以及RadiaBeam的Pedro Frigola，Paul Carriere，Alexander Laurich，James Penney和Matt Heintz做出了其他贡献。