Fabbricazione della struttura wakefield ondulata THz e relativo test ad alta potenza

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3207 (2023) Citare questo articolo

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Presentiamo il processo complessivo per lo sviluppo della struttura ondulata terahertz (THz) e i relativi risultati di misurazione basati su travi. Le strutture ondulate da 0,2 THz sono state fabbricate mediante il metodo dello stampaggio a stampo come primo passo dimostrativo verso la sorgente di radiazioni GW THz e l'acceleratore di wakefield GV/m THz. Dischi spessi 150-\(\upmu\)m sono stati prodotti da un foglio OFHC (C10100) mediante stampaggio. Due tipi di dischi sono stati impilati alternativamente per formare una struttura da 46 mm con \(\sim\) 170 ondulazioni. L'assemblaggio personalizzato è stato progettato per fornire il diffusion bonding con un allineamento dei dischi ad alta precisione. La conformità della struttura fabbricata è stata verificata mediante misurazioni del wakefield basate su raggi presso l'Argonne Wakefield Accelerator Facility. Sia il wakefield longitudinale che quello trasversale misurati hanno mostrato un buon accordo con i wakefield simulati. I gradienti di picco misurati, 9,4 MV/m/nC per un lungo treno a fascio singolo e 35,4 MV/m/nC per un treno a quattro gruppi, hanno mostrato un buon accordo con la simulazione.

Al fine di superare il limite primario dell'acceleratore lineare convenzionale, sono stati proposti e dimostrati gli Advanced Accelerator Concepts (AAC) per realizzare futuri collisori di frontiera energetica1,2,3,4,5,6 e linee multi-fascio compatte prive di raggi X laser a elettroni7,8,9. L'accelerazione del campo di scia della struttura (SWFA) è una delle AAC che utilizza fasci di particelle (= I) e strutture ad alta impedenza (= R) per generare campi elettromagnetici intensi (= V) chiamati wakefield10,11. Questo intenso campo di scia può accelerare fasci di particelle con un elevato gradiente di accelerazione o irradiare bersagli per vari scopi (ad esempio, accelerazione di particelle12, pompa-sonda THz13, esame non distruttivo14, ecc.).

Recentemente sono stati compiuti progressi significativi dal Pohang Accelerator Laboratory e dall'Argonne National Laboratory. Sebbene la maggior parte delle ricerche SWFA siano state condotte in regime di decine di gigahertz [AWA], abbiamo dimostrato la fabbricazione e il test ad alta potenza di una struttura terahertz (THz) che ha iniziato ad attirare crescente attenzione grazie alla sua fattibilità nel raggiungere la classe gigawatt o GV/m12 ,15,16,17. Abbiamo fabbricato una struttura ondulata cilindrica, che è una delle strutture più rappresentative per SWFA. Come primo passo verso gigawatt e GV/m (ovvero THz-SWFA con dimensioni rilassate), è stata fabbricata una struttura ondulata da \(\sim\) 0,2 THz mediante il metodo di stampaggio a stampo.

Simulazione della tolleranza da parte dello studio di particelle CST. Gli errori di lavorazione e gli spostamenti trasversali di ciascun disco vengono forniti in modo casuale all'interno dell'intervallo indicato. Il caso di riferimento (rosso) mostra picchi simmetrici intorno a 0,206 THz. Gli errori casuali con 10 \(\upmu\)m (verde) e 20 \(\upmu\)m (blu) mostrano spettri spostati e imprevedibili.

Il metodo di stampaggio a stampo crea due anelli che formano un unico periodo dell'ondulazione mediante stampaggio di un foglio di rame. Si tratta di un nuovo metodo più appropriato per fabbricare strutture ondulate THz rispetto ai metodi convenzionali a causa del numero notevolmente elevato di minuscole ondulazioni della struttura. Mentre una colonna accelerante convenzionale ha al massimo 20 iridi (ad esempio, una colonna accelerante in banda L lunga 1 m ha 7 iridi18), la struttura che abbiamo fabbricato ha \(\sim\) 170 ondulazioni in 46 mm. Qui, la qualità dell'ondulazione (ad esempio errore di lavorazione, perpendicolarità, concentricità) ha un impatto significativo sul campo di scia all'interno della struttura; vedere Fig. 1. Le strutture con errori mostrate in Fig. 1 sono esempi. Tuttavia, mostrano che gli errori dovrebbero essere i più piccoli possibile e che la tolleranza è inferiore a 0,5\(\%\) della dimensione dell'apertura. È difficile produrre un numero così elevato di piccole ondulazioni con alta precisione utilizzando metodi convenzionali come la termoretrazione, l'elettroformatura e la brasatura19,20. D'altra parte, il metodo di stampaggio a stampo produce facilmente un gran numero di dischi e controlla la qualità di ciascun disco.