Изготовление ТГц гофрированной структуры кильватерного поля и ее испытание на высокой мощности

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 3207 (2023) Цитировать эту статью

632 Доступа

1 Цитаты

Подробности о метриках

Авторская поправка к этой статье была опубликована 14 марта 2023 г.

Эта статья обновлена

Мы представляем общий процесс разработки гофрированной структуры ТГц (ТГц) и результаты ее лучевых измерений. Гофрированные структуры с частотой 0,2 ТГц были изготовлены методом штамповки в качестве первого шага демонстрации создания источника ГВт ТГц излучения и ускорителя кильватерного поля ГВ/м ТГц. Диски толщиной 150 мкм изготавливались из фольги OFHC (С10100) методом штамповки. Два типа дисков были уложены поочередно, чтобы сформировать конструкцию диаметром 46 мм с \(\sim\) 170 гофрами. Нестандартная сборка была разработана для обеспечения диффузионной сварки с высокой точностью центровки дисков. Соответствие изготовленной конструкции было проверено посредством измерения кильватерного поля на основе луча в Аргоннском ускорительном комплексе Уэйкфилда. Как измеренное продольное, так и поперечное кильватерное поле показали хорошее согласие с смоделированными кильватерными полями. Измеренные пиковые градиенты, 9,4 МВ/м/нКл для длинного одиночного пучка и 35,4 МВ/м/нКл для цуга из четырех пучков, показали хорошее согласие с моделированием.

Чтобы преодолеть основной предел традиционного линейного ускорителя, были предложены и продемонстрированы концепции усовершенствованного ускорителя (AAC) для реализации будущих энергетических пограничных коллайдеров1,2,3,4,5,6 и компактных многолучевых линий без рентгеновского излучения. электронные лазеры7,8,9. Структурное кильватерное ускорение (SWFA) — это один из методов AAC, который использует пучки частиц (= I) и структуры с высоким импедансом (= R) для генерации интенсивных электромагнитных полей (= V), называемых кильватерным полем10,11. Это интенсивное кильватерное поле может либо ускорять пучки частиц с высоким градиентом ускорения, либо облучать цели для различных целей (например, ускорение частиц12, ТГц-накачка-зонд13, неразрушающий контроль14 и т. д.).

Недавно значительный прогресс был достигнут Пхоханской ускорительной лабораторией и Аргоннской национальной лабораторией. Хотя большинство исследований SWFA проводились в режиме десятков гигагерц [AWA], мы продемонстрировали изготовление и испытание на высокой мощности терагерцовой (ТГц) структуры, которая начала привлекать все большее внимание из-за возможности достижения класса гигаватт или ГВ/м12. ,15,16,17. Мы изготовили цилиндрическую гофрированную конструкцию, которая является одной из наиболее представительных конструкций SWFA. В качестве первого шага к гигаваттам и ГВ/м (т.е. ТГц-SWFA с уменьшенными размерами) методом штамповки была изготовлена ​​гофрированная структура \(\sim\) 0,2 ТГц.

Моделирование допусков от CST Particle Studio. Погрешности обработки и поперечные смещения каждого диска задаются случайным образом в заданном диапазоне. Эталонный случай (красный) показывает симметричные пики в районе 0,206 ТГц. Случайные ошибки с 10 \(\upmu\)m (зеленый) и 20 \(\upmu\)m (синий) показывают смещенные и непредсказуемые спектры.

Методом штамповки создаются два кольца, образующие единый период гофры, путем штамповки медной фольги. Этот новый метод изготовления гофрированных ТГц структур является более подходящим, чем традиционные методы, из-за чрезвычайно большого количества крошечных гофров в структуре. В то время как традиционная ускоряющая колонна имеет не более 20 диафрагм (например, ускорительная колонна L-диапазона длиной 1 м имеет 7 диафрагм18), изготовленная нами конструкция имеет \(\sim\) 170 гофров диаметром 46 мм. Здесь качество гофра (например, ошибка обработки, перпендикулярность, концентричность) оказывает существенное влияние на кильватерное поле внутри конструкции; см. рис. 1. Примерами являются структуры с ошибками, показанные на рис. 1. Однако они показывают, что ошибки должны быть как можно меньшими, а допуск составляет менее 0,5\(\%\) размера апертуры. Трудно изготовить такое большое количество крошечных гофр с высокой точностью, используя традиционные методы, такие как усадка, гальванопластика и пайка19,20. С другой стороны, методом штамповки легко изготавливается большое количество дисков и контролируется качество каждого диска.