Una nueva generación de aceleradores de partículas pretende llevar a un nivel superior la terapia contra el cáncer, la detección de fármacos y el análisis de materiales
Componentes de cobre de fabricación aditiva para aceleradores lineales
Primicia mundial: Fraunhofer IWS imprime por primera vez componentes cuadrupolares para aceleradores lineales. Estos aceleradores lineales son tan compactos que empiezan a ser asequibles incluso para los hospitales, aeropuertos y laboratorios más pequeños. Para apoyar este desarrollo, el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Materiales y Haces IWS, junto con la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) de Suiza, la Universidad Tecnológica de Riga (RTU) de Letonia y el Politécnico de Milán (PoliMi), se está centrando en la impresión 3D basada en láser: En el marco del proyecto I.FAST, destinado a potenciar la innovación en materia de aceleradores y cofinanciado por el programa Horizonte 2020 de la Comisión Europea, los investigadores han conseguido por primera vez en el mundo fabricar de forma aditiva componentes esenciales del cuadrupolo para aceleradores lineales a partir de cobre puro.
Este es el aspecto de un cuadrupolo completo en diseño clásico. Conectados en fila, estos electrodos cuadrupolares aceleran protones, por ejemplo, a velocidades muy altas.
© CERN
Este éxito abre nuevas perspectivas para la producción comercial y el uso práctico de estos sistemas, que funcionan según el principio de los cuadrupolos de alta frecuencia (HF-RFQ). Estos sistemas podrían utilizarse, por ejemplo, para mejorar y automatizar los controles de drogas y armas en los aeropuertos. Los científicos ven un gran potencial en la impresión de cobre en 3D: "Este enfoque nos permitirá reducir considerablemente los tiempos de fabricación", predice Samira Gruber, experta en fabricación aditiva de cobre puro y aleaciones de cobre en Fraunhofer IWS. Por ejemplo, la creación rápida de prototipos será posible impulsando el futuro desarrollo de la tecnología de aceleración. Además, la fabricación aditiva puede ahorrar material y, por tanto, reducir el consumo de recursos del cobre en comparación con los procesos clásicos.
¿Qué son los aceleradores cuadripolares?
Estos argumentos desempeñarán un papel importante para que estos aceleradores compactos tengan una mayor aceptación. Y es que los cuadrupolos de alta frecuencia basados en una nueva tecnología desarrollada en el CERN son los componentes clave y los marcapasos de esta nueva generación de instalaciones. En los cuadrupolos, cuatro electrodos de polos alternos se enfrentan entre sí, dispuestos como pétalos alrededor de una trayectoria central de partículas. Si el usuario aplica un voltaje alterno, se acumulan campos eléctricos que cambian rápidamente. Estos campos envían las partículas entre las puntas onduladas de los electrodos en un viaje ondulatorio que las acerca más y más a la velocidad de la luz con cada "pétalo de electrodo" que pasa por cada cuadrupolo. A diferencia de sus hermanos subterráneos, normalmente enormes, llamados aceleradores de anillo, estos aceleradores lineales suelen ocupar poco más espacio que un salón.
El láser verde hace posible lo imposible en la optimización de componentes
Dado que los sistemas generan mucho calor residual durante su funcionamiento a largo plazo, los cuadrupolos están hechos de cobre puro. Este metal conduce excepcionalmente bien la electricidad y el calor. Hasta ahora, sin embargo, la producción de cuadrupolos ha sido muy compleja: se fresan para darles forma a partir de productos semiacabados y luego se ensamblan a partir de un gran número de piezas individuales. Por ello, los investigadores del Fraunhofer IWS, RTU y PoliMi han desarrollado una alternativa: Funden polvo de cobre puro con un láser verde. A partir de este metal fundido forman el cuarto segmento de un cuadrupolo. En el proceso, ahorran material allí donde no es necesario para la resistencia del componente. En cambio, en los métodos convencionales de procesamiento de metales, esta optimización de los componentes requiere mucho tiempo y, en algunos lugares, ni siquiera es posible. Como resultado, el nuevo método de producción reduce el consumo de cobre y proporciona segmentos cuadrupolares más ligeros que pueden ensamblarse en un día.
El aumento del volumen de construcción de los sistemas de fusión de lecho de polvo con láser verde permitirá pronto producir segmentos cuadrupolares completos mediante impresión 3D. Sin embargo, los segmentos cuadripolares producidos ahora también son ya capaces para las siguientes fases del proyecto: Por ejemplo, los componentes fabricados de forma aditiva tienen topologías superficiales rugosas. Por lo tanto, hay que analizar los prototipos para saber si es necesario alisar posteriormente los cuadriláteros de impresión 3D, por ejemplo, mediante un pulido por plasma, electroquímico o láser. El programa del proyecto también incluye pruebas para determinar si los pequeños daños por desgaste en los aceleradores pueden repararse posteriormente mediante tecnologías de fabricación aditiva, y cómo hacerlo, sin tener que desechar componentes enteros. "Además, también pretendemos estudiar qué otros materiales y componentes pueden considerarse para la fabricación aditiva de aceleradores", explica Samira Gruber.
Es concebible su uso para la terapia de protones y la detección automática de fármacos
Al fin y al cabo, los aceleradores lineales no sólo interesan a los físicos de partículas. En el campo de las aplicaciones médicas, pueden utilizarse para la terapia de protones contra tumores especialmente insidiosos en el abdomen o el cerebro, así como para la producción de isótopos médicos. El CERN está explorando otras aplicaciones para los aceleradores cuadrupolares, como el análisis de materiales con el fin de examinar obras de arte. Los aceleradores ofrecen considerables oportunidades de mercado. Actualmente hay unos 30.000 aceleradores en uso en todo el mundo, estiman los expertos californianos del sector Robert Hamm y Marianne E. Hamm en su análisis de 2012 "Industrial Accelerators and Their Applications". Según el estudio, empresas e institutos de todo el mundo utilizan estos sistemas para fabricar y analizar productos industriales por valor de 500.000 millones de dólares al año.
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