THz波状航跡場構造の作製とその高出力試験

Sep 03, 2023

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。

加工された波形構造とそれに対応するシミュレートされた後流インピーダンス。 (a) ハーフカットされたアクセルコラムの写真。 写真の構造は高出力テスト済みのものではないことに注意してください。 デザインは同じでも、研磨工程により仕上がり寸法が異なる場合がございます。 (b) 最適化された設計の縦方向後流インピーダンス。 インピーダンスのピークは 0.20 ～ 0.21 THz にあります。

この構造は、シングルモードおよび高勾配の航跡場を実現するように設計されました。 図2aに示す構造パラメータを最適化しました。 波形の深さ (d)、波形の幅 (w)、波形間の隙間 (g)、および丸み半径 (r)。 高出力テストでの粒子ビームの輸送を容易にするために、開口部 (a) は 2 mm に固定されました。 最適化にはCSTのマイクロ波スタジオ21とパーティクルスタジオ22を使用しました。 最適化中に、二乗平均平方根 (rms) バンチ長が 0.2 mm の超相対論的ガウス バンチを使用しました。 表 1 と図 2b は、それぞれ最適化された寸法と対応するウェイク インピーダンスを示します。

この構造を作製するにあたり、外径（OD）は同じで内径（ID）が異なる2種類のディスクを金型プレスにより作製しました。 ディスクの製造には OFHC（C10100）シートを使用し、1 つの構造のディスクの総数は 355 枚でした。これらのディスクを交互に積み重ねて図 2 の波形を形成しました。前述したように、製造品質は製造品質に大きな影響を与えます。構造の性能です。 ディスクの位置合わせエラーは品質要因の 1 つです。 ディスクの完璧な接触と位置合わせを保証するために、ディスクは市販の SS304 パイプ内に積み重ねられました。 銅ディスクの外径はパイプの内径よりわずかに大きくなるように製造されました。 次に、ディスクをパイプにフィットするように化学研磨しました。 研磨によって変化するODは、研磨時間、温度、混合酸の濃度に依存します。 そこで、ディスクとパイプとの隙間が10 \(\upmu\)m以内になるように研磨時間を制御した。 化学研磨により、ディスクの他の寸法が約 20 ～ 30 \(\upmu\)m 変化しました。 このような変化により、数 GHz の周波数シフトが発生します。

THz 波形構造を製造するためのいくつかの新しい方法が最近提案され調査されたことは注目に値します 23。 金型プレス法もその一つです。 調査の結果、金型プレスに必要な内周の精密な切削や多数のディスクの位置合わせが難しいことが指摘されました。 そこで、一度のプレスではなく、内周と外周を複数回プレスしてプレス加工を施しました。 また、プレスされたエッジが対称になるように、エッジを上向きと下向きの両方にプレスします。 さらに、ディスクは化学的に研磨され、スタンピングによるエッジが取り除かれ、ディスク間の位置合わせと接触が改善されました。

拡散接合用の構造アセンブリの写真と概略図。

ディスクは金型プレスで作られているため、平らではなくわずかに凹んでいます。 ディスク同士を空隙なく密着させ平坦に密着させるには、適切な力で押し付ける必要があります。 図 3 に示すように、ディスクを押し付けるアセンブリを設計しました。コバール 24 製ハーフカット ホルダー 2 個の両端に 2 つのカスタム フランジを付け、SS304 ボルト 8 本を使用して組み立てられます。 コバールの熱膨張は銅や SS304 よりも小さいです。 したがって、8 本のボルトとコバール ホルダーの熱膨張は、積み重ねられたディスクとフランジの膨張よりも小さくなります。 ボルトがフランジを保持すると、フランジがディスクを押し、空隙のないしっかりとした平らな接触が保証されます。 構造の長さは 62.45 mm であったことに注意してください。 温度が 820 \(^\circ\)C に上昇したとき、銅ディスク + フランジの熱膨張は 0.93 mm でした。 一方、ボルト＋ホルダーの熱膨張は0.77mmでした。 銅ディスクを高温および圧力拡散接合し、カスタム SS304 フランジをパイプにろう付けしました。 このろう付けされたフランジにより、構造アセンブリの真空気密状態が保証されます。

作製した構造を電子ビームを用いて実験的に検査した。 縦方向と横方向の航跡場を測定し、シミュレーションと比較しました。 縦方向航跡場は、縦方向航跡場の時間分解測定を可能にする投影技術 25,26 によって測定されました。 横方向航跡場測定では、時間分解情報を取得できるように、縦方向測定と同様の新しい投影技術を導入しました。

実験用ビームラインの概略図。

投影技術の鍵の 1 つは、ウェイクフィールドを駆動するビームと長いプローブ ビームを同時に導入することです。 このようにして、ウェイクフィールドの強度はビームのエネルギーまたは横位置の変化から評価できます。 紫外線レーザーは、ビームスプリッターを使用して 2 つのレーザーパルスに分割され、駆動電子ビームとプローブ電子ビームが生成されました。 ソースレーザーパルスの時間長は約 300 fs 二乗平均平方根 (rms) でした。 ビームラインには他の電子ビーム圧縮機構が存在しないため (図 4 を参照)、300 fs パルスが駆動ビームの生成に直接使用され、同時に 5 つの \(\alpha\)-BBO 結晶が導入されてレーザー パルス長が延長されました。プローブ ビームを 6 ps27 に設定します。プローブ ビームのレーザー パスには、駆動レーザー パルスに対する相対的なタイミングを制御するための電動遅延ラインも含まれています。この遅延制御機能を使用して、駆動ビームの背後にあるウェイクフィールドの合計 3 サイクルが測定されました。

ドライブビームとプローブビームは、LバンドRF加速空洞によって加速されました。 ビームのエネルギーは 45.2 MeV に増加しました。 3 つの四極磁石が波形構造の前に配置され、x 面と y 面の両方でビームを集束させました。 ビームエンベロープを評価するために、3 つのイットリウム アルミニウム ガーネット (YAG) スクリーンがビーム経路に沿って設置されました (図 4 を参照)。 構造物の下流は航跡場測定のための診断エリアでした。 構造物は、実験中に挿入および引き抜きできるように電動アクチュエータに取り付けられました。 支持システムには、挿入および抜去中に構造物の垂直位置を確保するためのレールが付いていました。

横偏向キャビティ (TDC) と長方形双極子磁石 (SPE) を使用して、ビームの時間分布とスペクトル分布を YAG スクリーン (YAG5) に投影しました。 TDC の前にある四重極磁石はビームを横方向に集束させ、解像度を最大化します。 パノフスキー・ヴェンツェル効果によるエネルギー拡散の増大を最小限に抑えるために、水平スリットが TDC の前に配置されました26。

時間分解経度航跡場測定。 (a、b) それぞれ波形構造がある場合とない場合の縦位相空間。 (c) 測定された縦方向航跡場 (青実線) とシミュレートされた航跡場 (赤破線) の比較。 青色の陰影は \(\pm 1\sigma\) 統計誤差に対応します。

図 5 のパネル a と b は、それぞれ構造がある場合とない場合の測定された縦位相空間を示しています。 ここでは、各プローブ ビーム遅延位置からのスナップショットを結合して、3 サイクル全体のビューを提供します。 プローブビームの実際のエネルギー変化は、構造がある場合とない場合の時間エネルギー相関曲線を差し引くことによって取得できます。 ビームは超相対論的 (\(\beta =0.99994\)) であるため、ビームの長手方向の電流プロファイルは 46 mm の構造長内では変化しないと考えるのが妥当です。 したがって、エネルギー変化を構造の長さで割ったものは、航跡場の加速勾配と考えることができます。 結果は図 5c (青の実線) に表示されます。 駆動ビームの電荷は \(0.992 \pm 0.004\) nC で、その rms バンチ長と対応するバンチ形状係数 (電流プロファイルのフーリエ変換) はそれぞれ 1.1 ps rms と 0.3 でした。 加速勾配は電荷と形状因子に比例することに注意してください。

駆動ビームの最大エネルギー損失は 0.14 MeV で、駆動ビーム後の最大エネルギー利得は 0.43 MeV でした。 ここで、プローブビームの電荷は、ビーム負荷効果を無視できるほど十分に低い。 構造の長さ、駆動ビームの電荷、および最大エネルギー利得によって、航跡場のピーク加速勾配が決まります。 9.4MV/m/nCでした。

任意の電荷分布からの航跡場は、電荷分布と単一電子からの航跡場である航跡関数の畳み込みとして表現できます28。 したがって、測定された駆動ビームの電流プロファイルと ECHO2D29 と呼ばれるシミュレーション コードからの航跡関数を使用して航跡場を計算しました。 測定には大きな半径方向のオフセットが伴うため、ビームは高次方位角モード (HOM) を励起しました。 シミュレーションでは、480 \(\upmu\)m の一定のオフセットを仮定しました。 シミュレーション結果はパネル c に赤破線の曲線として示されており、測定値とよく一致しています。

予想された 200 ～ 210 GHz のインピーダンス ピークはシフトされ、216 GHz の周波数が航跡場の形状を支配的に決定しました。 前述したように、研磨プロセスにより、表 1 の最適化された寸法が変更される可能性があります。 したがって、パラメータ空間を調査し、予想される寸法誤差範囲内にあり、測定された航跡場とよく一致する妥当な寸法を取得しました。 シミュレーションに使用された寸法は、表 1 の 3 列目に示されています。

横航跡場は、構造内のビーム輸送を特徴付けるもう 1 つの重要な要素です。 駆動ビームとプローブビームの両方が同じ軸上を移動するため、横方向航跡場の定量的測定は簡単ではありません。 従来の技術では、航跡場からの運動量変化によってプローブビームの横方向のオフセットが生成されるように、構造の後に十分な長さのスペースが導入されています。 ただし、キックが弱かったり、移動距離が足りなかったりするとこの方法はうまくいきません。 そこで、ビームの t-x 分布のスナップショットを取得する新しい手法を試みました (x は、横方向航跡場がビームをキックするようにオフセットを適用する平面です)。

時間分解横航跡場測定。 （ a 、 b ）それぞれ波形構造がある場合とない場合のビームの x – t 分布。 (c) 測定された横方向航跡場 (青の実線) とシミュレートされた航跡場 (赤の破線) の比較。 青色の陰影は \(\pm 1\sigma\) 統計誤差に対応します。

TDC を使用してビームの時間分布を y 平面に投影しました。 縦方向の測定とは反対に、双極子磁石はオフになり、四極子磁石 (Q4 ～ 6) が構造の出口でのビームの横運動量を YAG スクリーン (YAG4) に投影しました。 構造がある場合とない場合の測定されたビームの t-x 分布をそれぞれ図 6a と図 6b に示します。 パネル a は、ビーム経路が基準水平位置から 480 \(\upmu\)m の水平オフセットを有しており、横方向航跡場が最小化される場合です。 縦方向の測定と同様に、2 つの画像から t-x 相関曲線を差し引くことで横方向航跡場を取得できます。

粒子輸送は次のように表現できることに注意してください。

ここで、x は粒子の水平位置、\(x'\) は粒子の発散です。 四重極の設定は、横方向航跡場のイメージング条件である \(R_{11}\) 項をゼロにするまで不完全でした。 測定された伝達マトリックスパラメータは R11 で、R12 はそれぞれ 4.7 と 0.52 でした。 したがって、残った x 項の効果が画像に組み合わされます。 混乱を避けるために、予想される水平および垂直オフセットを使用してビーム輸送をシミュレートし、測定された伝達行列を適用して YAG スクリーンでの投影画像を推定しました。 結果をパネル c に示します。 青い曲線は測定された横航跡場であり、赤い破線の曲線はシミュレーションから得られたものです。 測定された航跡場とシミュレーションされた航跡場は良好な一致を示しています。 縦断測定と同様に、480 \(\upmu\)m という大きなオフセットがありました。 これは強力な HOM を導入するには十分な大きさです。 ここで、HOM の比率は 1.00:0.56:0.24 と予想されます (8 極以上のモードは無視できました)。 これらの強力な HOM は、測定とシミュレーションの両方から観察できるビートを導入しました。 図6を参照してください。

製造された構造から達成可能な勾配のスケーリング。 バントレインの勾配は最大 4 つのバンチまで測定され (青い点、パネル c)、対応する測定電流プロファイルがパネル (a) に示されています。 パネル (c) の「測定されたプロファイル」ケース (赤破線) は、シミュレートされた達成可能な勾配を示しています。 このシミュレーションでは、パネル (b) に示すように、単一バンチの測定電流プロファイルが複製されました。 パネル c の「ショート ガウス」ケース (赤点) は、バンチ フォーム ファクター 1 を提供するショート ガウスを使用したシミュレーションを示しています。

ウェイクフィールドの重ね合わせも調べた。 高い群速度 (\(\およそ\) 0.63c) により、航跡場は急速に減衰します。 したがって、重ね合わされた航跡場の勾配はバンチの数に比例しません。 この非線形応答を確認するために、最大 4 つのバンチを導入しました。 測定された電流プロファイルと勾配をそれぞれ図 7 のパネル a とパネル c に示します。 バンチ間の電荷比は 1:0.77:1.07:1 であったことに注意してください。 3番目と4番目の房が重なっているのはこのためです。

4 つのバンチのこの電流プロファイル測定では、O(0.1) ps レベルの誤差が生じる可能性があります。これは、各バンチが異なる横光学系を備えており、測定の分解能が大幅に制限されるためです25。 したがって、比較のために単一の駆動ビームから測定された電流プロファイルを使用してシミュレーションが実行されました。 2 つ以上のバンチの場合、勾配を最大化する適切な間隔で単一ビームの電流プロファイルを複製しました。 パネル b は、4 バンチの場合のこの複製された電流プロファイルを示しています。 ここでは、束間の間隔は 4.62 ps に設定されました。 「測定された電流プロファイル」（オレンジ色の破線）はこのシミュレーション ケースに対応し、測定データとよく一致しています。

金型スタンピング法を用いてTHz波形構造を作製し、その構造からの後流磁場を測定しました。 2 種類のディスクを量産し、拡散接合して小さな波形を形成しました。 縦方向の測定には既存の投影法を採用し、横方向の測定には新しい投影法を導入しました。 比較の結果、精密プレス加工とアライメントという2つの課題を、化学研磨、ガイド用外部パイプ、プレスアセンブリによる拡散接合により克服することができた。

この構造により、単一バンチでは 9.4 MV/m/nC、4 バンチでは 35.4 MV/m/nC の最大加速勾配が得られました。 束の形状係数が 1.0 に近い短い束の場合、この勾配はさらに大きくなる可能性があります。 高フォームファクターの場合の期待値を図 7 に示します。フォームファクターが最大化された場合、5 つのバンチで 100 MV/m/nC 以上を達成すると予想されます。 私たちが実証した製造技術は、サブ THz 構造や波形構造に限定されません。 この実験結果は、以前の研究 30 から得た、1.4 THz 構造からの 1.2 GW または 4.2 GV/m 航跡場の生成に向けた重要な一歩です。

ダイスタンピング法は、深い波形31、メタマテリアル32、HOM抑制形状33などの複雑な形状を有する他の構造にも適用できます。 誘電体材料の技術のさらなる開発は、誘電体ディスク構造34、誘電補助構造35、および多周波数構造による相関制御36,37への興味深い道を開く可能性もあり、これらは将来のTeVを可能にする高出力THz電源の有望な候補となるでしょう。高エネルギー物理研究のためのリニアコライダー、さまざまな基礎科学を支えるGeVクラス加速器光源。

ビームからの航跡場を計算するには単一の電子からの航跡場が必要ですが、従来のシミュレーション コードを使用して単一の電子を正確にシミュレートすることは不可能です。 ただし、バンチの長さが航跡場の波長の約 1% である場合、分布の影響は無視できます。 したがって、分布からの影響を最小限に抑えるために、バンチの長さがシミュレーションのステップ サイズに匹敵する短いバンチを生成しました。 この短いバンチからの航跡電位は、航跡関数 (つまり、単一電子からの航跡場) として考慮できるように、電荷と構造の長さによって正規化されました。

ECHO2D シミュレーションは、定義された方位モードの縦方向航跡場を返します。 最初の 4 つの方位角モードを含めたのは、5 番目のモードの大きさが支配的な最初のモードの 1% 未満であるためです。 横方向の航跡場は、パノフスキー - ヴェンツェルの定理を使用して縦方向の航跡場から計算されました。 比較のために、ペンシルビームを生成して追跡しました。 粒子の位置シフトに対する横方向航跡場の影響は無視できる（50 \(\upmu\)m 未満）ため、ビームの横方向分布は無視されました。 一方、ビームの電流プロファイルは航跡場の主な特性を決定します。 したがって、測定された電流プロファイルをシミュレーション入力としてインポートしました。 シミュレーションのステップ サイズは 100 \(\upmu\)m でした。 各時間ステップで、現在の電流プロファイルをウェイク関数で畳み込みました。

このデモンストレーションの結果を裏付けるデータは、合理的な要求に応じて対応する著者から入手できます。

この論文の訂正が公開されました: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31386-1

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この研究は、契約番号 DE-AC02-06CH11357 に基づいて、MIST および POSTECH (2018R1A6B4023605) によって支援され、さらにエネルギー省高エネルギー物理学局によって支援されました。 浦項加速器研究所の著者らは、この THz 構造研究に関する提案をいただいた Alexander Zholents 博士に感謝の意を表します。 著者の G. Ha は、測定結果についての洞察力に富んだコメントをくださった Chunguang Jing 博士に感謝の意を表します。

浦項加速器研究所、POSTECH、浦項、慶北、37673、韓国

H.コング、S.-H. キム、J.-H. キム＆J.-M. ソク

慶北大学校物理学科、大邱、41566、韓国

香港

蔚山科学技術院、蔚山、44919、韓国

チョンさん

アルゴンヌ国立研究所、アルゴンヌ、イリノイ州、60439、米国

DS ドーラン、G. ハ、W. リウ、X. ルー、J. パワー、J.-M. Seok、J. Shao、C. Whiteford、E. Wisniewski

ノーザン イリノイ大学、デカルブ、イリノイ州、60115、米国

X・サン

高麗大学校加速器科学科、世宗市、30019、韓国

S・シン

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HK、S.-HK、J.-HK、および SS は、THz 構造を製造するためのダイスタンピングベースの方法を開発しました。 GH、J.-MS、MC はビームベースのテストのシミュレーションを実施しました。 HK、XL、および JS は、製造された構造の RF 特性を分析しました。 GH、DSD、WL、JP、CW、EWは電子線試験を実施。 著者全員が原稿をレビューしました。

G. Ha または S. Shin への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

この記事の元のオンライン版は改訂されました。この記事の元のバージョンでは、著者 G. Ha が責任著者として省略されました。 連絡や資料請求も [email protected] までご連絡ください。

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転載と許可

Kong、H.、Chung、M.、Doran、DS 他。 THz波状航跡場構造の作製とその高出力試験。 Sci Rep 13、3207 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-29997-9

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受信日: 2022 年 10 月 11 日

受理日: 2023 年 2 月 14 日

公開日: 2023 年 2 月 24 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29997-9

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