Fabricação de estrutura de wakefield ondulada THz e seu teste de alta potência

Sep 03, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 3207 (2023) Citar este artigo

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Uma correção do autor para este artigo foi publicada em 14 de março de 2023

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Apresentamos o processo geral para o desenvolvimento de estrutura corrugada em terahertz (THz) e seus resultados de medição baseados em vigas. Estruturas onduladas de 0,2 THz foram fabricadas pelo método de estampagem como a demonstração do primeiro passo em direção à fonte de radiação GW THz e acelerador de campo de vigília GV/m THz. Discos de 150-\(\upmu\)m de espessura foram produzidos a partir de uma folha OFHC (C10100) por estampagem. Dois tipos de discos foram empilhados alternadamente para formar uma estrutura de 46 mm com \(\sim\) 170 ondulações. A montagem personalizada foi projetada para fornecer ligação por difusão com um alinhamento de discos de alta precisão. A complacência da estrutura fabricada foi verificada por meio de medições de wakefield baseadas em vigas no Argonne Wakefield Accelerator Facility. Ambos os wakefields longitudinais e transversais medidos mostraram boa concordância com os wakefields simulados. Os gradientes de pico medidos, 9,4 MV/m/nC para um feixe único longo e 35,4 MV/m/nC para trens de quatro feixes, mostraram boa concordância com a simulação.

A fim de superar o limite primário do acelerador linear convencional, os Conceitos Avançados do Acelerador (AAC) foram propostos e demonstrados para a realização de futuros colisores de fronteira de energia1,2,3,4,5,6 e compactos multi-linhas de feixes livres de raios-X lasers de elétrons7,8,9. Estrutura wakefield de aceleração (SWFA) é uma das AAC que utiliza feixes de partículas (= I) e estruturas de alta impedância (= R) para gerar campos eletromagnéticos intensos (= V) denominados wakefield10,11. Este intenso campo de vigília pode acelerar feixes de partículas com um gradiente de alta aceleração ou irradiar alvos para várias finalidades (por exemplo, aceleração de partículas12, sonda-bomba THz13, exame não destrutivo14, etc.).

Recentemente, um progresso significativo foi feito pelo Pohang Accelerator Laboratory e pelo Argonne National Laboratory. Embora a maioria das pesquisas de SWFA tenha sido feita em regime de dezenas de gigahertz [AWA], demonstramos a fabricação e o teste de alta potência de uma estrutura de terahertz (THz) que começou a atrair cada vez mais atenção devido à sua viabilidade de atingir a classe gigawatt ou GV/m12 ,15,16,17. Fabricamos uma estrutura ondulada cilíndrica, que é uma das estruturas mais representativas da SWFA. Como o primeiro passo para gigawatt e GV/m (ou seja, THz-SWFA com dimensões relaxadas), \(\sim\) estrutura ondulada de 0,2 THz foi fabricada pelo método de estampagem.

Simulação de tolerância pelo estúdio de partículas CST. Os erros de usinagem e os deslocamentos transversais de cada disco são fornecidos aleatoriamente dentro da faixa especificada. O caso de referência (vermelho) mostra picos simétricos em torno de 0,206 THz. Os erros aleatórios com 10 \(\upmu\)m (verde) e 20 \(\upmu\)m (azul) mostram espectros deslocados e imprevisíveis.

O método de estampagem cria dois anéis formando um único período da corrugação por estampagem de uma folha de cobre. É um novo método mais apropriado para a fabricação de estruturas corrugadas THz do que os métodos convencionais devido ao número notavelmente grande de minúsculas ondulações da estrutura. Enquanto uma coluna de aceleração convencional tem no máximo 20 íris (por exemplo, coluna de aceleração de banda L com 1 m de comprimento tem 7 íris18), a estrutura que fabricamos tem \(\sim\) 170 ondulações em 46 mm. Aqui, a qualidade da ondulação (por exemplo, erro de usinagem, perpendicularidade, concentricidade) tem um impacto significativo no campo de esteira dentro da estrutura; ver Fig. 1. As estruturas com erros mostradas na Fig. 1 são exemplos. No entanto, eles mostram que os erros devem ser os menores possíveis e a tolerância é menor que 0,5\(\%\) do tamanho da abertura. É difícil produzir um número tão grande de pequenas ondulações com alta precisão usando métodos convencionais como retração, eletroformação e brasagem19,20. Por outro lado, o método de estampagem produz facilmente um grande número de discos e controla a qualidade de cada disco.