Fabrication de la structure de wakefield ondulé THz et son test haute puissance

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 3207 (2023) Citer cet article

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Une correction de l'auteur à cet article a été publiée le 14 mars 2023.

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Nous présentons le processus global de développement d’une structure ondulée térahertz (THz) et ses résultats de mesure basés sur des poutres. Des structures ondulées de 0,2 THz ont été fabriquées par la méthode d'emboutissage comme première étape de démonstration vers une source de rayonnement GW THz et un accélérateur de champ de sillage GV/m THz. Des disques de 150 -\(\upmu\)m d'épaisseur ont été produits à partir d'une feuille OFHC (C10100) par estampage. Deux types de disques ont été empilés alternativement pour former une structure de 46 mm avec \(\sim\) 170 ondulations. L'assemblage personnalisé a été conçu pour fournir un collage par diffusion avec un alignement des disques de haute précision. La conformité de la structure fabriquée a été vérifiée grâce à des mesures du champ de sillage basées sur des faisceaux à l'installation d'accélérateur d'Argonne Wakefield. Les champs de sillage longitudinaux et transversaux mesurés ont montré un bon accord avec les champs de sillage simulés. Les gradients de pointe mesurés, 9,4 MV/m/nC pour un seul paquet long et 35,4 MV/m/nC pour quatre trains de paquets, ont montré un bon accord avec la simulation.

Afin de surmonter la principale limite de l'accélérateur linéaire conventionnel, les concepts d'accélérateur avancés (AAC) ont été proposés et démontrés pour réaliser de futurs collisionneurs à la frontière de l'énergie1,2,3,4,5,6 et des lignes multifaisceaux compactes sans rayons X. lasers à électrons7,8,9. L'accélération du champ de sillage de structure (SWFA) est l'une des AAC qui utilise des faisceaux de particules (= I) et des structures à haute impédance (= R) pour générer des champs électromagnétiques intenses (= V) appelés champ de sillage10,11. Ce champ de sillage intense peut soit accélérer des faisceaux de particules avec un gradient d'accélération élevé, soit irradier des cibles à diverses fins (par exemple, accélération de particules12, pompe-sonde THz13, examen non destructif14, etc.).

Récemment, des progrès significatifs ont été réalisés par le Laboratoire de l'accélérateur de Pohang et le Laboratoire national d'Argonne. Alors que la plupart des recherches SWFA ont été effectuées dans un régime de dizaines de gigahertz [AWA], nous avons démontré la fabrication et les tests à haute puissance d'une structure térahertz (THz) qui a commencé à attirer une attention croissante en raison de sa faisabilité d'atteindre la classe gigawatt ou GV/m12. ,15,16,17. Nous avons fabriqué une structure cylindrique ondulée, qui est l’une des structures les plus représentatives de SWFA. Comme première étape vers le gigawatt et le GV/m (c'est-à-dire THz-SWFA avec des dimensions détendues), une structure ondulée \(\sim\) 0,2 THz a été fabriquée par la méthode d'estampage.

Simulation de tolérance par le studio de particules CST. Les erreurs d'usinage et les décalages transversaux de chaque disque sont fournis de manière aléatoire dans la plage donnée. Le cas de référence (rouge) montre des pics symétriques autour de 0,206 THz. Les erreurs aléatoires de 10 \(\upmu\)m (vert) et 20 \(\upmu\)m (bleu) montrent des spectres décalés et imprévisibles.

La méthode d’estampage crée deux anneaux formant une seule période de l’ondulation par estampage d’une feuille de cuivre. Il s'agit d'une nouvelle méthode plus appropriée pour fabriquer des structures ondulées THz que les méthodes conventionnelles en raison du nombre remarquablement grand de minuscules ondulations de la structure. Alors qu'une colonne accélératrice conventionnelle comporte au plus 20 iris (par exemple, une colonne accélératrice à bande L de 1 m de long comporte 7 iris18), la structure que nous avons fabriquée comporte \(\sim\) 170 ondulations de 46 mm. Ici, la qualité de l'ondulation (par exemple erreur d'usinage, perpendiculaire, concentricité) a un impact significatif sur le champ de sillage à l'intérieur de la structure ; voir la figure 1. Les structures comportant des erreurs illustrées sur la figure 1 sont des exemples. Cependant, ils montrent que les erreurs doivent être aussi petites que possible et que la tolérance est inférieure à 0,5\(\%\) de la taille de l'ouverture. Il est difficile de produire un si grand nombre de petites ondulations avec une grande précision en utilisant des méthodes conventionnelles telles que le retrait, l'électroformage et le brasage19,20. D'autre part, la méthode d'emboutissage permet de produire facilement un grand nombre de disques et de contrôler la qualité de chaque disque.