線形加速器用に銅コンポーネントを積層造形

January, 7, 2022, Dresden--新世代の粒子加速器の狙いは､ガン治療､創薬､材料分析を高いレベルに上げこと｡線形加速器は､非常にコンパクトであるので､より小規模の病院､空港､研究所でも利用可能になる｡
　この開発をサポートするために､Fraunhofer　IWSは､スイスのCERN､ラトビアのRiga Technology University (RTU) およびPolitecnico di Milano (PoliMi)とともに､レーザベース3Dプリンティングに注目している｡I.FASTプロジェクトの一環として､加速器の強化を目標とし､EUのHorizon 2020が共同出資している｡研究者は､世界で初めて､線形加速器に必須の4重極コンポーネントを純銅から積層製造することに成功した｡

この成功は､商用生産､高周波RF 4重極(HF-RFQ)で動作するシステムの実用用途に新たな展望を開く｡これらのシステムは､例えば､空港での麻薬や武器の検査改善､自動化のために使うことができる｡研究者は､3D銅プリンティングに大きな可能性を見ている｡｢このアプローチにより､われわれは､製造時間を大幅に短縮できる｣とFraunhofer IWSの純銅と銅合金の積層造形専門家､Samira Gruberは予想している｡例えば､高速試作が可能になり､将来の加速器技術開発を促進する｡加えて､積層造形は､材料の節約になり､古典的プロセスと比較して銅資源消費を減らす｡

4重極加速器
これらのコンパクトな加速器がより広く採用されると､そのような議論が主流になる｡CERNで開発された新技術に基づいた高周波4重極が､この新世代ファシリティの主要コンポーネント､ペースメーカーになるからである｡4重極では､4つの交替する分極電極が向き合い､中心粒子軌跡の周りでペタル(花びら)のように整列される｡ユーザが､交流電圧を印可すると､急速に変化する電界が現れる｡これらの電界が､波のように揺れる電極チップ間の粒子を波乗りさせ､粒子は､｢電極ペタル｣を通過する毎にますます光の速度に近づく｡通常の巨大な地下加速器と違い､これら線形加速器が占めるスペースはリビングルーム程度である｡

コンポーネント最適化でグリーンレーザが不可能を可能にする
　同システムは､長期運転中に大量の熱を発生するので､4重極は純銅製になっている｡この金属は､並外れて電気および熱伝導性が優れている｡しかし､これまで､4重極の製造は､非常に複雑だった｡半製品形状に粉砕し､次に非常に多くの個別パーツをアセンブリする｡したがって､Fraunhofer IWS, RTU および PoliMiの研究者は､別の可能性を開発した｡研究チームは､グリーンレーザで純銅粉末を溶かした｡この溶融金属から､4重極の1/4セグメントを形成する｡そのプロセスで､コンポーネント強度に不要な箇所の材料を節約する｡他方で,従来の金属加工法では､このコンポーネント最適化法は､非常に時間がかかり､場所によっては､全く実現可能性さえない｡結果的に､その新製法により､銅消費を減らし､一日以内にアセンブリできる軽量4重極セグメントが得られる｡

グリーンレーザ粉末床溶融システムの構築量の増加により､いずれ､全4重極セグメントが3Dプリンティングで製造可能になる｡しかし､現在製造される1/4セグメントもすでに次のプロジェクトフェーズに可能性がある｡例えば､積層造形されたコンポーネントは､粗い表面トポロジーである｡したがって､プロトタイプは､3Dプリンティング4重極が､続いて､例えば､プラズマ､電気化学あるいはレーザ研磨で滑らかにする必要があるかどうか､どのようにするかを分析しなければならない｡プロジェクトアジェンダは､加速器の小さな磨耗損傷が､全コンポーネントをスクラップする必要なく､後でAM技術で修復できるかどうか､どのようにするかを決めるテストも含んでいる｡｢加えて､他のどんな材料やコンポーネントが､加速器用に積層造形に考えられるかも研究するつもりである｣とSamira Gruberは説明している｡

用途には,陽子線治療と自動薬剤検出が考えられる
　煎じ詰めると､線形加速器は､素粒子物理学者の興味にとどまらない｡医療応用分野では､特に腹部や脳の潜行性腫瘍に対する陽子線治療､医療アイソトープ製造に利用できる｡CERNは､４重極加速器の他の用途を研究している｡これには､芸術傑作の検査目的で材料分析も含まれる｡加速器は､大きな市場機会を持つ｡カリフォルニア産業専門家､Robert HammとMarianne E. Hammは､2012年の｢産業加速器とそのアプリケーション｣分析で､世界中に現在､約30000の加速器が存在すると推定している｡同調査によると､世界中の企業や研究機関は､これらのシステムを使って､年に5000億ドルの産業製品を製造､分析している｡

(詳細は､https://www.iws.fraunhofer.de)