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新一代粒子加速器旨在将癌症治疗、药物检测和材料分析提升到更高水平

2021-11-04 17:16          粒子物理粒子加速器质子治疗直线加速器

©欧洲核子研究中心 这就是完整四极杆在经典设计中的外观。例如,这些四极电极连接成一排,将质子加速到非常高的速度。

世界首创:弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所(Fraunhofer IWS)首次为直线加速器打印四极杆组件。这些直线加速器非常紧凑,即使是小型医院、机场和实验室也能负担得起。为了支持这一发展,弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所 IWS 与瑞士的欧洲核研究组织 (CERN)、拉脱维亚的里加科技大学 (RTU) 和米兰理工大学 (PoliMi) 一起专注于基于激光的3D 打印:作为 I.FAST 项目的一部分,旨在加强加速器的创新,并由欧盟委员会的 Horizo​​n 2020 计划共同资助,研究人员在全球范围内首次成功地用纯铜增材制造直线加速器的基本四极杆组件.

这一成功为此类系统的商业生产和实际使用开辟了新的前景,其工作原理是高频射频四极 (HF-RFQ)。例如,这些系统可用于在机场进行更好、更自动化的毒品和武器检查。科学家们看到了 3D 铜打印的巨大潜力:“这种方法将使我们能够显着减少制造时间,”弗劳恩霍夫 IWS 纯铜和铜合金增材制造专家 Samira Gruber 预测。例如,快速原型设计将成为推动加速器技术未来发展的可能。此外,与传统工艺相比,增材制造可以节省材料,从而减少铜的资源消耗。

什么是四极加速器?

如果这些紧凑型加速器要被更广泛地接受,这些论点将发挥重要作用。这是因为基于 CERN 开发的新技术的高频四极杆是新一代设施的关键组件和起搏器。在四极杆中,四个交替极化的电极彼此面对,像花瓣一样围绕中心粒子轨迹排列。如果用户施加交流电压,将建立快速变化的电场。这些场在波浪状电极尖端之间发送粒子,使它们越来越接近光速,每个通过每个四极杆的“电极花瓣”。与它们通常巨大的地下兄弟(称为环形加速器)不同,这些直线加速器通常只占用客厅的空间。

绿色激光使部件优化成为可能

由于系统在长期运行过程中会产生大量废热,因此四极杆由纯铜制成。这种金属非常好地导电和导热。然而,迄今为止,四极杆的生产一直非常复杂:它们由半成品铣削成型,然后由大量单个零件组装而成。因此,Fraunhofer IWS、RTU 和 PoliMi 的研究人员现在开发了一种替代方案:他们用绿色激光熔化纯铜粉。从这种熔融金属中,它们形成了四极杆的四分之一部分。在此过程中,它们可以节省不需要部件强度的材料。另一方面,在传统的金属加工方法中,这种部件优化非常耗时,在某些地方甚至根本不可行。

绿色激光粉末床融合系统构建体积的增加将很快使整个四极杆段能够通过 3D 打印生产。尽管如此,现在生产的四分之一段也已经能够用于下一个项目阶段:例如,增材制造的部件具有粗糙的表面拓扑结构。因此,必须分析原型是否以及如何随后平滑 3D 打印四极杆,例如,通过等离子体、电化学或激光抛光。该项目议程还包括测试以确定是否以及如何随后使用增材制造技术修复加速器上的轻微磨损损坏,而无需报废整个组件。”

可用于质子治疗和自动药物检测

毕竟,直线加速器不仅是粒子物理学家的兴趣所在。在医疗应用领域,它们可用于针对腹部或大脑中特别隐匿的肿瘤进行质子治疗,以及用于医疗同位素生产。CERN 正在探索四极加速器的其他应用,包括用于检查艺术杰作的材料分析。加速器传达了大量的市场机会。据加州行业专家 Robert Hamm 和 Marianne E. Hamm 在 2012 年的分析“工业加速器及其应用”中估计,目前全球约有 30,000 个加速器在使用中。根据这项研究,世界各地的公司和机构每年使用这些系统制造和分析价值 5000 亿美元的工业产品。
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