Additive Fertigung von HF-Hohlraumresonatoren – Innovation für moderne Beschleunigeranlagen
In modernen Teilchenbeschleunigern werden geladene Teilchen wie Elektronen oder Protonen mit Hilfe von Hochfrequenz-Hohlraumresonatoren (HF-Hohlraumresonatoren) auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt – oft bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit. Der Hohlraum (Cavity) dieser HF-Hohlraumresonatoren wird aus hochleitfähigen Materialien wie Aluminium, Kupfer oder Supraleitern gebildet. Wird in die Cavity ein HF-Signal mit der durch die Cavity-Geometrie vorgegebenen Resonanzfrequenz eingespeist, resultiert eine Überhöhung der Feldamplituden des elektromagnetischen Feldes in der Cavity, wobei die elektrische Feldkomponente zur Beschleunigung der Teilchen genutzt wird.
Ein zentrales Ziel beim Cavity-Design ist es, die effektive Beschleunigungsspannung auf einer möglichst kurzen Strecke zu maximieren. Dies erfordert hochkomplexe Innengeometrien, weshalb herkömmliche Cavities aus zahlreichen Einzelteilen gefertigt werden. Um die notwendige elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie Vakuumdichtheit der Cavity sicherzustellen, müssen die Einzelteile anschließend durch aufwendige Fügeverfahren wie Hartlöten oder Elektronenstrahlschweißen verbunden werden. Dieser konventionelle Herstellungsprozess ist zeitintensiv, fehleranfällig und kostenintensiv.
Die additive Fertigung eröffnet bei der Cavity-Herstellung völlig neue Möglichkeiten: Cavities können monolithisch – also in einem Stück – gefertigt werden. Dadurch wird die Produktionskomplexität reduziert, während gleichzeitig die Performance der Cavities verbessert wird. Unsere mittels pulverbettbasiertem Laserschmelzen (PBF-LB/M) aus reinem Kupfer gefertigten Cavity-Prototypen beweisen dieses Potenzial und motivieren weitere Forschung auf diesem neuen Gebiet.
Damit additiv gefertigte Cavities künftig in Teilchenbeschleunigern eingesetzt werden können, müssen sie für den Betrieb unter hoher HF-Leistung jedoch weiter optimiert werden. Zu diesem Zweck entwickeln wir derzeit sowohl einen speziellen Hochleistungsteststand als auch hochleistungsfähige Cavity-Geometrien, die sich für die additive Fertigung eignen.
Weltweit sind über 40.000 Ionen- und Elektronenbeschleuniger im Einsatz – sei es in der physikalischen Grundlagenforschung, der Strahlentherapie zur Krebsbehandlung oder der Materialwissenschaft. Dabei betragen die Investitionskosten zwischen einer und mehreren hundert Millionen Euro. Die additive Fertigung wird die Entwicklung und Produktion von HF-Hohlraumresonatoren revolutionieren und damit effizientere, leistungsfähigere und wirtschaftlichere Beschleunigeranlagen ermöglichen.
