So sieht ein kompletter Quadrupol in klassischer Bauweise aus. Hintereinandergeschaltet beschleunigen diese Vierer-Elektroden zum Beispiel Protonen auf sehr hohe Geschwindigkeiten.

So sieht ein kompletter Quadrupol in klassischer Bauweise aus. Hintereinandergeschaltet beschleunigen diese Vierer-Elektroden zum Beispiel Protonen auf sehr hohe Geschwindigkeiten.

Additiv gefertigte Kupferbauteile für Teilchenbeschleuniger

Publiziert

Neue Generation von Teilchenbeschleunigern soll Krebstherapie, Drogenfahndung und Materialanalyse auf eine höhere Stufe heben.

Weltpremiere: Fraunhofer IWS druckt erstmals Quadrupol-Bauteile für Linearbeschleuniger. Diese Linearbeschleuniger sind so kompakt, dass sie selbst für kleinere Krankenhäuser, Flughäfen und Labore erschwinglich werden. Um diese Entwicklung zu fördern, setzt das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS gemeinsam mit der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) in der Schweiz, der lettischen Riga Technology University (RTU) und der Politecnico di Milano (PoliMi) auf lasergestützte 3D-Drucker: Im Rahmen des »I.FAST«-Projekts, das darauf abzielt, die Innovation von Beschleunigern zu fördern und das die Europäische Kommission im Programm Horizont 2020 kofinanziert, ist es nun weltweit erstmalig gelungen, wichtige Quadrupol-Bauteile für Linearbeschleuniger aus reinem Kupferpulver additiv zu fertigen.

Dies eröffnet perspektivisch neue Wege hin zu einer kommerziellen Produktion und zum praktischen Einsatz derartiger Anlagen, die auf dem Prinzip der »High Frequency Radio Frequency Quadrupole« (HF-RFQ) basieren. Möglich sind damit zum Beispiel bessere und stärker automatisierte Drogen- und Waffenkontrollen auf Flughäfen. Die Forschenden sehen großes Potenzial im 3D-Kupferdruck: »Damit können wir die Fertigungszeiten deutlich verkürzen«, prognostiziert Samira Gruber, die am Fraunhofer IWS Expertin für die additive Fertigung von Kupfer und Kupferlegierungen ist. »Möglich wird so beispielsweise ein schneller Prototypenbau. Dies kann die Weiterentwicklung der Beschleunigertechnologie deutlich voranbringen.« Durch die additive Fertigung lässt sich außerdem Material einsparen und so der Ressourcenverbrauch von Kupfer im Vergleich zu klassischen Verfahren verringern.

Was sind Quadrupol-Beschleuniger?

Diese Argumente fallen erheblich ins Gewicht, wenn sich diese kompakten Beschleuniger breiter durchsetzen sollen. Denn Hochfrequenz-Quadrupole, die auf einer neuen, am CERN entwickelten Technologie basieren, sind die entscheidenden Bauteile und Taktgeber für diese neue Generation von Anlagen. In den Quadrupolen stehen sich vier abwechselnd gepolte Elektroden gegenüber, die sich wie Blütenblätter um eine zentrale Teilchenflugbahn anordnen. Legt der Nutzer eine Wechselspannung an, bauen sich schnell wechselnde elektrische Felder auf. Diese schicken die Teilchen zwischen den wellig geformten Elektrodenspitzen auf eine Art Wellenritt, der sie mit jedem passierten »Elektroden-Blütenblatt« mit jedem Quadrupol immer näher an die Lichtgeschwindigkeit heranbringt. Anders als ihre meist riesigen unterirdischen Brüder, die Ringbeschleuniger, nehmen diese Linearbeschleuniger oft kaum mehr Raum als ein Wohnzimmer ein.

Grüner Laser macht bei Bauteiloptimierung bislang Unmögliches möglich

Weil die Anlagen im Langzeitbetrieb viel Abwärme erzeugen, bestehen die taktgebenden Quadrupole aus reinem Kupfer. Denn dieses Metall leitet Strom und Wärme besonders gut. Bisher war die Produktion der Quadrupole allerdings sehr aufwendig: Sie werden aus Halbzeugen in Form gefräst und dann aus sehr vielen Einzelteilen zusammengesetzt. Deshalb haben die Forschenden des Fraunhofer IWS, RTU und PoliMi nun eine Alternative entwickelt. Sie schmelzen dafür mit einem grünen Laser reines Kupferpulver auf. Aus dieser Metallschmelze formen sie dann das Viertelsegment eines Quadrupols. Dabei sparen sie Material überall dort ein, wo es für die Bauteilfestigkeit nicht gebraucht wird. In klassischen Metallverarbeitungsverfahren dagegen ist diese Bauteiloptimierung sehr aufwendig, an manchen Stellen sogar überhaupt nicht machbar. Die neue Fertigungsmethode mindert insofern den Kupferverbrauch und sorgt für leichtere Quadrupol-Segmente, die innerhalb eines Tages fertig aufgebaut sind.

Eine Vergrößerung des Bauraumes von Laserschmelzanlagen mit grünem Laser wird es demnächst ermöglichen, ganze Quadrupol-Segmente per 3D-Druck herzustellen. Aber auch mit den jetzt erzeugten Viertelsegmenten sind bereits die nächsten Projektphasen möglich: Zum Beispiel weisen die Bauteile aus der additiven Fertigung erfahrungsgemäß raue Oberflächentopologien auf. Das heißt: ihre Oberfläche ist oft rau. Zu analysieren ist daher am Protoptypen, ob und wie die 3D-Druck-Quadrupole nachträglich geglättet werden müssen – beispielsweise durch eine plasma- oder elektrochemische Politur.

Auf der Projektagenda stehen außerdem Versuche, ob und wie sich kleine Verschleißschäden an Beschleunigern mithilfe additiver Fertigungstechnologien nachträglich reparieren lassen, ohne ganze Bauteile verschrotten zu müssen. »Wir wollen aber auch untersuchen, welche anderen Werkstoffe und Bauteile für die additive Fertigung für Beschleuniger in Frage kommen«, sagt Samira Gruber.

Einsatz für Protonentherapie und automatische Rauschgift-Erkennung denkbar

Denn die Linearbeschleuniger sind nicht nur für Teilchenphysiker interessant. Auf dem Gebiet der Medizintechnik lassen sie sich sowohl für die Protonentherapie gegen besonders heimtückische Tumore im Bauchraum oder im Gehirn einsetzen als auch für die Herstellung medizinischer Isotope. Am CERN werden noch viele andere Anwendungen für die Quadrupol-Beschleuniger erforscht – einschließlich der Materialanalyse – mit dem Ziel, Meisterwerke der Kunst zu untersuchen. Beschleuniger bieten erhebliche Marktchancen. Momentan sind weltweit etwa 30.000 Beschleuniger im Einsatz, schätzen die kalifornischen Branchenexperten Robert Hamm und Marianne E. Hamm in ihrer Analyse »Industrial Accelerators and Their Applications« aus dem Jahr 2012. Mit diesen Anlagen fertigen und analysieren demnach Unternehmen und Institute rund um den Erdball industrielle Waren im Wert von 500 Milliarden US-Dollar pro Jahr.

Originalveröffentlichung

  • Torims, Toms, Pikurs, Guntis, Gruber, Samira, Vretenar, Maurizio, Ratkus, Andris, Vedani, Maurizio, Lopez, Elena, & Brückner, Frank; "FIRST PROOF-OF-CONCEPT PROTOTYPE OF AN ADDITIVE-MANUFACTURED RADIO FREQUENCY QUADRUPOLE" Zenodo; 2021

EVENTS

Logistik Forum Schweiz

«Challenge Supply Chain: digital, sicher, nachhaltig»

Datum: 07. Juni 2023

Ort: Verkehrshaus Luzern (CH)

EPHJ-EPMT-SMT

Internationale Ausstellung für Uhrenindustrie, Mikrotechnologie und Medizinaltechnik

Datum: 06.-09. Juni 2023

Ort: Palexpo Genf (CH)

Automatica

Leitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 27.-30. Juni 2023

Ort: München (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse für Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 27.-30. Juni 2023

Ort: München (D)

Additive Manufacturing Forum

Die Entscheider- und Expertenkonferenz bringt das gesamte Wertschöpfungssystem rund um die additive Fertigung zusammen.

Datum: 04.-05. Juli 2023

Ort: Berlin (D)

SINDEX

Schweizer Messe für industrielle Automatisierung

Datum: 05.-07. September 2023

Ort: Bern (CH)

Rehacare

Die REHACARE ist die internationale Fachmesse für Rehabilitation, Prävention, Inklusion und Pflege.

Datum: 13.-16. September 2023

Ort: Düsseldorf (D)

CMS Berlin

Europas erfolgreichste Leitmesse für Reinigung und Hygiene

Datum: 19.-22. September 2023

Ort: Berlin (D)

W3+ Fair Rheintal

Europas führende Plattform für Hightech-Innovationen

Datum: 20. -21. September 2023

Ort: Dornbirn (A)

Ilmac

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie

Datum: 26.-28. September 2023

Ort: Basel (CH)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 26.-28. September 2023

Ort: Nürnberg (D)

A + A

Internationale Fachmesse für Persönlichen Schutz, Betriebliche Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit.

Datum: 24.-27. Oktober 2023

Ort: Düsseldorf (D)

AQUA Suisse

Die Schweizer Fachmesse für Wasser, Abwasser und Gas

Datum: 25.-26. Oktober 2023

Ort: Zürich (CH)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 25.-26. Oktober 2023

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Fachmesse für Pumpen- und Ventiltechnik

Datum: 25.-26. Oktober 2023

Ort: Zürich (CH)

IN.STAND

Die Fachmesse für Instandhaltung und Services

Datum: 07.-08. November 2023

Ort: Stuttgart (D)

Expo for Decarbonised Industries

Das Fachevent zum Megatrend Dekarbonisierung, die Plattform für Energiespeicher und Klimaneutralität in Unternehmen.

Datum: 28.-30. November 2023

Ort: (D)

Swissbau

Die führende Plattform der Bau- und Immobilienwirtschaft in der Schweiz.

Datum: 16.-19. Januar 2024

Ort: Basel (CH)

Empack Schweiz

The Future of Packaging Technology

Datum: 24.-25. Januar 2024

Ort: Bern (CH)

LOGISTICS & AUTOMATION

Schweizer Fachmesse für Logistik und Transport

Datum: 24.-25. Januar 2024

Ort: Bern (CH)

aqua pro

B2B-Plattform in der Schweiz für Fachkräfte des Globalen Wasserkreislaufs

Datum: 07.-09. Februar 2024

Ort: Bulle (CH)

Vivaness

Internationale Fachmesse für Naturkosmetik

Datum: 13.-16. Februar 2024

Ort: Nürnberg (D)

analytica

Leitmesse für Labortechnik, Analytik, Biotechnologie und analytica conference

Datum: 09.-12. April 2024

Ort: München (D)

Siams

Die Messe der Produktionsmittel der Mikrotechnik

Datum: 16.-19. April 2024

Ort: Halle d'Exposition, Moutier (CH)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 13.-17. Mai 2024

Ort: München (D)

drupa

Weltweit führende Fachmesse für Drucktechnologien

Datum: 28. Mai - 07. Juni 2024

Ort: Düsseldorf (D)

ArbeitsSicherheitSchweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz & Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 05.-06. Juni 2024

Ort: Bern (CH)

Achema

Internationale Leitmesse der Prozessindustrie

Datum: 10.-14. Juni 2024

Ort: Frankfurt am Main (D)

all about automation

Fachmesse für Industrieautomation

Datum: 28.-29. August 2024

Ort: Zürich (CH)

Cleanzone

Internationale Fachmesse und Kongress für Reinraumtechnologie

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Frankfurt am Main (D)

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 24.-26. September 2024

Ort: Nürnberg (D)

Ilmac Lausanne

Networking. Forum. Aussteller

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Lausanne (CH)

Ifas

Fachmesse für den Gesundheitsmarkt

Datum: 22.-24. Oktober 2024

Ort: Digital (CH)

electronica

Weltleitmesse und Konferenz der Elektronik

Datum: 12.-15. November 2024

Ort: München (D)

all4pack Paris

The global marketplace for Packaging Processing Printing Handling

Datum: 04.-07. November 2024

Ort: Paris (F)

Bezugsquellenverzeichnis