THz波状航跡場構造の作製とその高出力試験

Scientific Reports volume 13、記事番号: 3207 (2023) この記事を引用

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この記事に対する著者の訂正は 2023 年 3 月 14 日に公開されました

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テラヘルツ（THz）波形構造の開発プロセス全体とビームベースの測定結果を紹介します。 GW THz 放射線源と GV/m THz 航跡場加速器の実証の第一段階として、0.2 THz 波形構造がダイスタンピング法によって作製されました。 厚さ 150-\(\upmu\)m のディスクが、OFHC (C10100) フォイルからスタンピングによって製造されました。 2 種類のディスクを交互に積み重ねて、\(\sim\) 170 個の波形を持つ 46 mm の構造を形成しました。 カスタム アセンブリは、ディスクの高精度な位置合わせによる拡散接合を提供するように設計されました。 製造された構造のコンプライアンスは、アルゴンヌ ウェイクフィールド加速器施設でのビームベースのウェイクフィールド測定によって検証されました。 測定された縦方向および横方向の航跡場は両方とも、シミュレートされた航跡場と良好な一致を示しました。 測定されたピーク勾配は、長い単一バンチでは 9.4 MV/m/nC、4 バンチ トレインでは 35.4 MV/m/nC であり、シミュレーションと良好な一致を示しました。

従来の線形加速器の主な限界を克服するために、将来のエネルギーフロンティア衝突型加速器1、2、3、4、5、6およびX線フリーのコンパクトなマルチビームラインを実現するための先進加速器コンセプト（AAC）が提案され、実証されてきました。電子レーザー7、8、9。 構造航跡場加速（SWFA）は、粒子線（= I）と高インピーダンス構造（= R）を利用して航跡場と呼ばれる強力な電磁場（= V）を生成する AAC の 10,11 です。 この強力な航跡場は、粒子ビームを高い加速勾配で加速したり、さまざまな目的 (粒子加速 12、THz ポンププローブ 13、非破壊検査 14 など) でターゲットを照射したりできます。

最近、浦項加速器研究所とアルゴンヌ国立研究所によって大きな進歩が見られました。 ほとんどの SWFA 研究は数十ギガヘルツ領域 [AWA] で行われてきましたが、私たちはギガワットまたは GV/m クラスに達する実現可能性によりますます注目を集め始めているテラヘルツ (THz) 構造の作製と高出力テストを実証しました12。 、15、16、17。 SWFAの代表的な構造の一つである円筒状のコルゲート構造を作製しました。 ギガワットと GV/m (つまり、寸法を緩和した THz-SWFA) に向けた最初のステップとして、\(\sim\) 0.2 THz 波形構造を金型スタンピング法によって作製しました。

CSTパーティクルスタジオによるトレランスシミュレーション。 各ディスクの加工誤差と横方向のオフセットは、所定の範囲内でランダムに与えられます。 基準ケース (赤) は、0.206 THz 付近に対称的なピークを示しています。 10 \(\upmu\)m (緑) と 20 \(\upmu\)m (青) のランダム誤差は、シフトした予測不可能なスペクトルを示します。

ダイスタンピング法は、銅箔を打ち抜いて波形の1周期を形成する2つのリングを作成します。 この構造は非常に多数の小さな波形を備えているため、従来の方法よりも THz 波形構造を製造するのに適した新しい方法です。 従来の加速柱にはせいぜい 20 個の絞りしかありませんが（たとえば、長さ 1 m の L バンド加速柱には 7 つの絞りがあります 18）、私たちが作製した構造には、46 mm に \(\sim\) 170 個の波形があります。 ここで、波形の品質 (例: 加工誤差、直角度、同心度) は、構造内の航跡場に大きな影響を与えます。 図 1 を参照してください。図 1 に示すエラーのある構造は例です。 ただし、誤差はできる限り小さくする必要があり、許容誤差は開口サイズの 0.5\(\%\) 未満であることが示されています。 収縮、電鋳、ろう付けなどの従来の方法を使用して、このような多数の小さな波形を高精度で製造することは困難です19,20。 一方、ダイスタンピング法は大量のディスクを容易に製造でき、ディスクごとに品質を管理できます。