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Nov 16, 2023

THz 파형 웨이크필드 구조 제작 및 고출력 테스트

과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 3207(2023) 이 기사 인용

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이 기사에 대한 저자 수정 사항은 2023년 3월 14일에 게시되었습니다.

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테라헤르츠(THz) 골판지 구조 개발을 위한 전반적인 프로세스와 빔 기반 측정 결과를 제시합니다. 0.2-THz 주름형 구조는 GW THz 방사선 소스 및 GV/m THz 웨이크필드 가속기에 대한 첫 번째 단계 시연으로 다이 스탬핑 방법으로 제작되었습니다. OFHC(C10100) 호일을 스탬핑하여 150-\(\upmu\)m 두께의 디스크를 제작했습니다. 두 종류의 디스크를 교대로 쌓아서 \(\sim\) 170개의 주름을 갖는 46mm 구조를 형성했습니다. 맞춤형 어셈블리는 고정밀 디스크 정렬로 확산 결합을 제공하도록 설계되었습니다. 제작된 구조의 적합성은 Argonne Wakefield Accelerator Facility의 빔 기반 웨이크필드 측정을 통해 검증되었습니다. 측정된 세로 및 가로 웨이크필드 모두 시뮬레이션된 웨이크필드와 잘 일치하는 것으로 나타났습니다. 측정된 피크 기울기(긴 단일 묶음의 경우 9.4MV/m/nC, 4개 묶음 열차의 경우 35.4MV/m/nC)는 시뮬레이션과 잘 일치하는 것으로 나타났습니다.

기존 선형 가속기의 일차적 한계를 극복하기 위해 미래 에너지 프론티어 충돌기1,2,3,4,5,6 및 소형 다중 빔라인 X-ray를 구현하기 위한 AAC(Advanced Accelerator Concepts)가 제안 및 시연되었습니다. 전자 레이저7,8,9. SWFA(구조 웨이크필드 가속)는 입자 빔(= I)과 고임피던스 구조(= R)를 활용하여 웨이크필드라고 불리는 강렬한 전자기장(= V)을 생성하는 AAC 중 하나입니다10,11. 이 강렬한 웨이크필드는 높은 가속 기울기로 입자 빔을 가속하거나 다양한 목적(예: 입자 가속12, THz 펌프 프로브13, 비파괴 검사14 등)을 위해 표적을 조사할 수 있습니다.

최근 포항가속기연구소와 아르곤국립연구소에서 상당한 진전이 이루어졌다. 대부분의 SWFA 연구는 수십 기가헤르츠 영역(AWA)에서 수행되었지만, 우리는 기가와트 또는 GV/m 클래스에 도달할 가능성으로 인해 점점 더 주목을 받기 시작한 테라헤르츠(THz) 구조의 제작 및 고전력 테스트를 시연했습니다. ,15,16,17. SWFA의 가장 대표적인 구조 중 하나인 원통형 주름 구조를 제작하였습니다. 기가와트 및 GV/m(즉, 완화된 크기의 THz-SWFA)를 향한 첫 번째 단계로 \(\sim\) 0.2 THz 주름 구조가 다이 스탬핑 방법으로 제작되었습니다.

CST Particle Studio의 공차 시뮬레이션. 각 디스크의 가공오차와 횡옵셋은 주어진 범위 내에서 랜덤하게 제공됩니다. 참조 사례(빨간색)는 0.206THz 부근의 대칭 피크를 보여줍니다. 10\(\upmu\)m(녹색)과 20\(\upmu\)m(파란색)의 무작위 오류는 이동되고 예측할 수 없는 스펙트럼을 보여줍니다.

다이 스탬핑 방법은 구리 호일을 스탬핑하여 주름의 단일 주기를 형성하는 두 개의 링을 생성합니다. THz 골판지 구조를 제작하는 데 있어 기존 공법보다 미세한 주름이 눈에 띄게 많기 때문에 새로운 공법으로 적합합니다. 기존의 가속기둥에는 최대 20개의 아이리스가 있는 반면(예: 1m 길이의 L-밴드 가속기둥에는 7개의 아이리스가 있음18), 우리가 제작한 구조는 46mm에 \(\sim\) 170개의 주름을 갖습니다. 여기서 주름의 품질(예: 가공 오류, 직각도, 동심도)은 구조 내부의 웨이크필드에 상당한 영향을 미칩니다. 그림 1을 참조하십시오. 그림 1에 표시된 오류가 있는 구조는 예입니다. 그러나 오류는 가능한 한 작아야 하며 허용 오차는 조리개 크기의 0.5\(\%\) 미만이어야 함을 보여줍니다. 수축, 전기 주조 및 브레이징19,20과 같은 기존 방법을 사용하여 고정밀로 이렇게 많은 수의 작은 주름을 생산하는 것은 어렵습니다. 반면, 다이 스탬핑 방식은 대량의 디스크를 쉽게 생산할 수 있으며 각 디스크의 품질을 제어합니다.