Fabricación de estructura de wakefield corrugado THz y su prueba de alta potencia

Sep 03, 2023

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 3207 (2023) Citar este artículo

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Una corrección del autor de este artículo se publicó el 14 de marzo de 2023

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Presentamos el proceso general para desarrollar una estructura corrugada de terahercios (THz) y sus resultados de medición basados ​​en haces. Se fabricaron estructuras corrugadas de 0,2 THz mediante el método de troquelado como demostración del primer paso hacia la fuente de radiación de GW THz y el acelerador de estela de GV/m THz. Se produjeron discos de 150-\(\upmu\)m de espesor a partir de una lámina OFHC (C10100) mediante estampado. Se apilaron alternativamente dos tipos de discos para formar una estructura de 46 mm con \(\sim\) 170 corrugaciones. El ensamblaje personalizado fue diseñado para proporcionar unión por difusión con una alineación de alta precisión de los discos. El cumplimiento de la estructura fabricada se ha verificado a través de la medición del campo de estela basada en haces en la Instalación Aceleradora de Argonne Wakefield. Tanto el wakefield longitudinal como el transversal medido mostraron una buena concordancia con los wakefields simulados. Los gradientes máximos medidos, 9,4 MV/m/nC para un grupo único largo y 35,4 MV/m/nC para trenes de cuatro grupos, mostraron una buena concordancia con la simulación.

Con el fin de superar el límite primario del acelerador lineal convencional, se han propuesto y demostrado los Conceptos de Acelerador Avanzado (AAC) para realizar futuros colisionadores de frontera de energía1,2,3,4,5,6 y líneas de haz múltiples compactas libres de rayos X láseres de electrones7,8,9. La aceleración del campo de estela estructural (SWFA) es uno de los AAC que utiliza haces de partículas (= I) y estructuras de alta impedancia (= R) para generar campos electromagnéticos intensos (= V) llamados campo de estela10,11. Este intenso campo de estela puede acelerar haces de partículas con un alto gradiente de aceleración o irradiar objetivos para diversos fines (p. ej., aceleración de partículas12, bomba-sonda de THz13, examen no destructivo14, etc.).

Recientemente, el Laboratorio Acelerador de Pohang y el Laboratorio Nacional de Argonne han logrado avances significativos. Si bien la mayoría de las investigaciones de SWFA se han realizado en el régimen de decenas de gigahercios [AWA], demostramos la fabricación y la prueba de alta potencia de una estructura de terahercios (THz) que ha comenzado a atraer una atención cada vez mayor debido a su viabilidad de alcanzar la clase de gigavatios o GV/m12 ,15,16,17. Fabricamos una estructura corrugada cilíndrica, que es una de las estructuras más representativas de SWFA. Como primer paso hacia gigavatios y GV/m (es decir, THz-SWFA con dimensiones relajadas), se fabricó una estructura corrugada de \(\sim\) 0,2 THz mediante el método de troquelado.

Simulación de tolerancia por estudio de partículas CST. Los errores de mecanizado y los desplazamientos transversales de cada disco se proporcionan aleatoriamente dentro del rango dado. El caso de referencia (rojo) muestra picos simétricos alrededor de 0,206 THz. Los errores aleatorios con 10 \(\upmu\)m (verde) y 20 \(\upmu\)m (azul) muestran espectros desplazados e impredecibles.

El método de troquelado crea dos anillos que forman un solo período de ondulación mediante el estampado de una lámina de cobre. Es un método nuevo más apropiado para fabricar estructuras corrugadas de THz que los métodos convencionales debido a la cantidad notablemente grande de corrugaciones diminutas de la estructura. Mientras que una columna aceleradora convencional tiene como máximo 20 iris (por ejemplo, una columna aceleradora de banda L de 1 m de largo tiene 7 iris18), la estructura que fabricamos tiene \(\sim\) 170 corrugaciones en 46 mm. Aquí, la calidad de la ondulación (por ejemplo, error de mecanizado, perpendicularidad, concentricidad) tiene un impacto significativo en el campo de estela dentro de la estructura; véase la Fig. 1. Las estructuras con errores que se muestran en la Fig. 1 son ejemplos. Sin embargo, muestran que los errores deben ser lo más pequeños posible y la tolerancia es inferior a 0,5\(\%\) del tamaño de la apertura. Es difícil producir una cantidad tan grande de corrugaciones diminutas con alta precisión utilizando métodos convencionales como la contracción, el electroformado y la soldadura fuerte19,20. Por otro lado, el método de troquelado produce fácilmente una gran cantidad de discos y controla la calidad de cada disco.

Estructura corrugada fabricada e impedancia de estela simulada correspondiente. (a) Una imagen de una columna de acelerador de medio corte. Tenga en cuenta que la estructura de la imagen no es la que se probó con alta potencia. Aunque el diseño era el mismo, la dimensión final podría tener diferencia debido al proceso de pulido. (b) Impedancia de estela longitudinal del diseño optimizado. Los picos de impedancia se encuentran en 0,20–0,21 THz.

La estructura fue diseñada para lograr wakefields monomodo y de alto gradiente. Optimizamos los parámetros de la estructura que se muestran en la Fig. 2a; profundidad de ondulación (d), ancho de ondulación (w), espacio entre ondulaciones (g) y el radio de redondeo (r). La apertura (a) se fijó a 2 mm para facilitar el transporte del haz de partículas para la prueba de alta potencia. CST microondas studio21 y partículas studio22 se utilizaron para la optimización. Durante la optimización, utilizamos un grupo gaussiano ultrarrelativista cuya raíz cuadrada media (rms) tiene una longitud de grupo de 0,2 mm. La Tabla 1 y la Fig. 2b muestran la dimensión optimizada y la impedancia de estela correspondiente, respectivamente.

Para fabricar la estructura, producimos dos tipos de discos que tienen los mismos diámetros exteriores (OD) pero diferentes diámetros interiores (ID) mediante troquelado. Se usó una hoja OFHC (C10100) para fabricar los discos, y el número total de discos para 1 estructura fue de 355. Estos discos se apilaron alternativamente para formar la ondulación en la Fig. 2. Como se mencionó anteriormente, la calidad de fabricación tiene un impacto significativo en el rendimiento de la estructura. El error de alineación del disco es uno de los factores de calidad. Para asegurar el perfecto contacto y alineación de los discos, los discos se apilaron dentro de una tubería comercial SS304. El diámetro exterior de los discos de cobre se fabricó para que fuera un poco más grande que el diámetro interior de la tubería. Luego, los discos se pulían químicamente para encajar en la tubería. El OD cambiado por el pulido depende del tiempo de pulido, la temperatura y la concentración de la mezcla ácida. Por lo tanto, el tiempo de pulido se controló para hacer que el espacio entre el disco y la tubería esté dentro de los 10 \(\upmu\)m. El pulido químico cambió otras dimensiones de los discos aproximadamente 20–30 \(\upmu\)m. Tal cambio introduciría el cambio de frecuencia de unos pocos GHz.

Vale la pena señalar que recientemente se han propuesto y examinado varios métodos nuevos para fabricar la estructura corrugada de THz23. El método de troquelado fue uno de ellos. La encuesta señaló que el corte de precisión a lo largo de la circunferencia interna y la alineación de una gran cantidad de discos, que son necesarios para el troquelado, son un desafío. Por lo tanto, presionamos los bordes interior y exterior varias veces para estampar en lugar de estampar con una sola prensa. Además, los bordes se presionaron tanto hacia arriba como hacia abajo para que los bordes estampados puedan ser simétricos. Además, los discos se pulieron químicamente para eliminar los bordes del estampado y lograr una mejor alineación y contacto entre los discos.

Imagen y esquema de un ensamblaje de estructura para unión por difusión.

Los discos no son planos sino ligeramente cóncavos porque se fabricaron mediante troquelado. Para hacer los contactos apretados y planos entre los discos sin huecos, es necesario presionar con una fuerza apropiada. Diseñamos un ensamblaje para presionar los discos como se muestra en la Fig. 3. Dos soportes de medio corte hechos por kovar24 se ensamblan con dos bridas personalizadas en ambos extremos usando 8 pernos SS304. La expansión térmica del kovar es más pequeña que la del cobre y la del SS304. Por lo tanto, la expansión térmica de los soportes de 8 pernos y Kovar es menor que la expansión de los discos y bridas apilados. Como los pernos sujetan las bridas, las bridas presionan los discos, lo que garantiza contactos apretados y planos sin huecos. Nótese que la longitud de la estructura era de 62,45 mm. Cuando la temperatura subió a 820 \(^\circ\)C, la expansión térmica de los discos+bridas de cobre fue de 0,93 mm. Por otro lado, la dilatación térmica de pernos+soportes fue de 0,77 mm. Los discos de cobre unidos por difusión a alta temperatura y presión y soldaron las bridas SS304 personalizadas a la tubería. Estas bridas soldadas aseguran la estanqueidad al vacío del conjunto de la estructura.

La estructura fabricada se examinó experimentalmente utilizando haces de electrones. Medimos wakefields longitudinales y transversales y los comparamos con simulaciones. El campo de estela longitudinal se midió mediante la técnica de proyección25,26 que permite la medición con resolución temporal del campo de estela longitudinal. Para la medición del campo de estela transversal, presentamos una nueva técnica de proyección que es similar a la medición longitudinal para que se pueda obtener la información resuelta en el tiempo.

Diagrama esquemático de la línea de luz experimental.

Una de las claves de la técnica de proyección es la introducción simultánea de un haz que impulsa los campos de estela y un haz de sonda largo. De esta manera, la fuerza del campo de estela se puede evaluar a partir de la energía del haz o los cambios de posición transversal. El láser ultravioleta se dividió en dos pulsos de láser utilizando el divisor de haz para generar los haces de electrones impulsor y sondeador. La longitud temporal del pulso láser fuente fue de aproximadamente 300 fs raíz cuadrada media (rms). Debido a que no existía ningún otro mecanismo de compresión del haz de electrones en la línea de luz (ver Fig. 4, el pulso de 300 fs se usó directamente para generar el haz impulsor mientras que se introdujeron cinco cristales \(\alpha\)-BBO para alargar la longitud de un pulso láser para el haz de la sonda a 6 ps 27. La trayectoria del láser para el haz de la sonda también incluía una línea de retardo motorizada para controlar su temporización relativa al pulso del láser de accionamiento. Se midieron un total de tres ciclos de campos de estela detrás del haz de accionamiento utilizando esta función de control de retardo.

Los haces impulsor y de sonda fueron acelerados por cavidades aceleradoras de radiofrecuencia de banda L. Las energías de los haces se incrementaron a 45,2 MeV. Se ubicaron tres imanes de cuadrupolo frente a la estructura corrugada para enfocar los haces en los planos x e y. Se instalaron tres pantallas de granate de aluminio itrio (YAG) a lo largo de la trayectoria del haz (ver Fig. 4) para evaluar la envolvente del haz. Aguas abajo de la estructura era el área de diagnóstico para la medición de wakefield. La estructura se adjuntó a un actuador motorizado para que pueda insertarse y extraerse durante el experimento. El sistema de soporte tenía un riel para asegurar la posición vertical de la estructura durante la inserción y extracción.

Se emplearon una cavidad deflectora transversal (TDC) y un imán de dipolo rectangular (SPE) para proyectar las distribuciones temporales y espectrales del haz en una pantalla YAG (YAG5). Los imanes de cuadrupolo frente al TDC enfocan transversalmente el haz para maximizar la resolución. Se ubicó una rendija horizontal frente al TDC para minimizar el crecimiento de la dispersión de energía por el efecto Panofsky-Wenzel26.

Medición del campo de estela longitudinal resuelta en el tiempo. ( a, b ) Espacios de fase longitudinal con y sin la estructura corrugada, respectivamente. (c) La comparación del campo de estela longitudinal medido (azul sólido) y el campo de estela simulado (raya roja). El tono azul corresponde al error estadístico \(\pm 1\sigma\).

Los paneles a y b de la Figura 5 muestran espacios de fase longitudinal medidos con y sin la estructura, respectivamente. Aquí combinamos instantáneas de cada posición de retardo del haz de la sonda para proporcionar una vista completa de 3 ciclos. El cambio de energía real en el haz de la sonda se puede obtener restando las curvas de correlación tiempo-energía con y sin la estructura. Debido a que la viga es ultrarrelativista (\(\beta =0.99994\)), es justo suponer que el perfil de corriente longitudinal de la viga no cambia dentro de la longitud de la estructura de 46 mm. Por lo tanto, el cambio de energía dividido por la longitud de la estructura se puede considerar como el gradiente de aceleración del wakefield. El resultado se muestra en la Fig. 5c (azul sólido). La carga de la viga impulsora era \(0,992 \pm 0,004\) nC, y su longitud de grupo rms y el factor de forma de grupo correspondiente, que es la transformada de Fourier del perfil actual, eran 1,1 ps rms y 0,3 respectivamente. Tenga en cuenta que el gradiente de aceleración es proporcional a la carga y al factor de forma.

La pérdida de energía máxima en el haz impulsor fue de 0,14 MeV y la ganancia de energía máxima detrás del haz impulsor fue de 0,43 MeV. Aquí, la carga del haz de la sonda es lo suficientemente baja como para ignorar el efecto de carga del haz. La longitud de la estructura, la carga del haz impulsor y la ganancia de energía máxima proporcionan el gradiente máximo de aceleración del campo de estela. Fue 9,4 MV/m/nC.

El campo de estela de cualquier distribución de carga se puede expresar como convolución de la distribución de carga y la función de estela que es un campo de estela de un solo electrón28. Por lo tanto, calculamos el campo de estela utilizando el perfil actual del haz de control medido y una función de estela de un código de simulación llamado ECHO2D29. Debido a que la medición estuvo acompañada de un gran desplazamiento radial, el haz excitó modos azimutales de orden superior (HOM). Asumimos un desplazamiento constante de 480 \(\upmu\)m en la simulación. El resultado de la simulación se muestra como una curva de trazos rojos en el panel c y muestra una buena concordancia con la medición.

Se cambiaron los picos de impedancia esperados de 200–210 GHz y la frecuencia de 216 GHz determinó predominantemente la forma del campo de estela. Debido al proceso de pulido, las dimensiones optimizadas en la Tabla 1 podrían cambiarse como se mencionó anteriormente. Por lo tanto, hemos explorado el espacio de parámetros y obtenido una dimensión razonable que está dentro del rango de error de dimensión esperado y proporciona un buen acuerdo con el campo de estela medido. La dimensión utilizada para la simulación se da en la tercera columna de la Tabla 1.

El campo de estela transversal es otro factor importante que caracteriza el transporte del haz en la estructura. La medición cuantitativa del campo de estela transversal no es sencilla porque tanto el haz impulsor como el de la sonda viajan sobre el mismo eje. La técnica convencional introduce un espacio lo suficientemente largo después de la estructura para que el cambio de momento del campo de estela genere el desplazamiento transversal del haz de la sonda. Sin embargo, este método no funciona si la patada es débil o la distancia de viaje no es lo suficientemente larga. Por lo tanto, probamos una nueva técnica para obtener una instantánea de la distribución t–x del haz (x es el plano en el que aplicamos el desplazamiento para que el campo de estela transversal patee el haz).

Medición de estela transversal resuelta en el tiempo. (a, b) Distribución x–t de la viga con y sin la estructura corrugada, respectivamente. (c) La comparación del campo de estela transversal medido (azul sólido) y el campo de estela simulado (raya roja). El tono azul corresponde al error estadístico \(\pm 1\sigma\).

Proyectamos la distribución temporal del haz en el plano y usando TDC. Al contrario de la medición longitudinal, el imán dipolar se apagó y los imanes cuadripolares (Q4–6) proyectaron el momento transversal del haz a la salida de la estructura hacia la pantalla YAG (YAG4). La distribución t–x de la viga medida con y sin la estructura se muestra en la Fig. 6 a y b, respectivamente. El panel a es el caso de que la trayectoria del haz tuviera un desplazamiento horizontal de 480 \(\upmu\)m desde la posición horizontal de referencia donde se minimiza el campo de estela transversal. Similar a la medición longitudinal, podemos lograr el campo de estela transversal restando la curva de correlación t-x de dos imágenes.

Tenga en cuenta que el transporte de partículas se puede expresar como,

donde x es la posición horizontal de la partícula y \(x'\) es su divergencia. La configuración del cuadrupolo estaba incompleta en el término \(R_{11}\) cero, que es la condición de imagen para el campo de estela transversal. Los parámetros de la matriz de transferencia medidos fueron R11 y R12 fue 4,7 y 0,52, respectivamente. Por lo tanto, el efecto de x-term restante se combina en la imagen. Simulamos el transporte del haz con los desplazamientos horizontales y verticales esperados y aplicamos la matriz de transferencia medida para estimar la imagen proyectada en la pantalla YAG para evitar confusiones. El resultado se muestra en el panel c. La curva azul es el campo de estela transversal medido y la curva de trazos rojos es la de la simulación. Wakefields medidos y simulados muestran una buena concordancia. Similar a la medida longitudinal, tuvimos un gran desplazamiento de 480 \(\upmu\)m. Esto es lo suficientemente grande como para introducir HOM fuertes. Aquí se espera que la proporción de HOM sea de 1,00:0,56:0,24 (los modos octupolares o superiores eran ignorables). Estos fuertes HOM introdujeron una paliza que podemos observar tanto en la medición como en la simulación; véase la figura 6.

Escalado del gradiente alcanzable de la estructura fabricada. Los gradientes para el tren de racimos se midieron hasta cuatro racimos (punto azul, panel c), y el perfil de corriente medido correspondiente se encuentra en el panel (a). El caso de "perfil medido" (guión rojo) en el panel (c) muestra el gradiente alcanzable simulado. Para esta simulación, el perfil de corriente medido para un solo grupo se duplicó como se indica en el panel (b). El caso de "Gaussiana corta" (punto rojo) en el panel c muestra la simulación con una Gaussiana corta que proporciona el factor de forma de grupo de 1.

También se examinó la superposición del wakefield. Debido a una alta velocidad de grupo (\(\approx\) 0.63c), el wakefield amortigua rápidamente. Por lo tanto, el gradiente del wakefield superpuesto no es proporcional al número de racimos. Introdujimos hasta cuatro racimos para confirmar esta respuesta no lineal. El perfil y los gradientes de corriente medidos se muestran en los paneles a y c de la Fig. 7, respectivamente. Tenga en cuenta que la relación de carga entre los racimos fue de 1:0,77:1,07:1. Esta es la razón por la cual los racimos tercero y cuarto se superpusieron.

Esta medición del perfil actual para cuatro racimos podría tener un error de nivel de O(0.1)-ps porque cada racimo tiene una óptica transversal diferente que limita significativamente la resolución de la medición25. Por lo tanto, la simulación se realizó con un perfil de corriente medido de un solo haz de transmisión para comparación. Para dos o más racimos, duplicamos el perfil de corriente de un solo haz con una separación adecuada que maximiza el gradiente. El panel b muestra este perfil actual duplicado para el caso de cuatro racimos. Aquí la separación entre racimos se fijó en 4,62 ps. El "perfil de corriente medido" (raya naranja) corresponde a este caso de simulación y muestra una buena concordancia con los datos de medición.

Fabricamos una estructura corrugada de THz usando el método de troquelado y medimos los campos de estela de la estructura. Se produjeron dos tipos de discos en masa y se unieron por difusión para formar pequeñas corrugaciones. Adoptamos la técnica de proyección existente para la medición longitudinal e introdujimos una nueva técnica de proyección para la medición transversal. La comparación demostró que los dos puntos desafiantes del método, el estampado y la alineación precisos, se superaron con éxito mediante pulido químico, tubería externa para guiar, unión por difusión con un conjunto de prensado.

La estructura proporcionó el gradiente de aceleración máximo de 9,4 MV/m/nC para un solo grupo y 35,4 MV/m/nC para cuatro grupos. Este gradiente se puede aumentar aún más si los racimos cortos tienen un factor de forma de racimo cercano a 1,0. La expectativa para el caso de alto factor de forma se muestra en la Fig. 7. Se espera lograr más de 100 MV/m/nC con 5 grupos cuando se maximiza el factor de forma. La técnica de fabricación que demostramos no se limita a estructuras sub-THz o estructuras corrugadas. El resultado del experimento es un paso significativo hacia la generación de wakefield de 1,2 GW o 4,2 GV/m a partir de una estructura de 1,4 THz, que es de un estudio anterior30.

El método de troquelado también se puede aplicar a cualquier otra estructura que tenga geometrías complejas como corrugado profundo31, metamaterial32, geometría de supresión HOM33. Un mayor desarrollo de la técnica para material dieléctrico también podría abrir un camino interesante hacia la estructura de disco dieléctrico34, la estructura asistida por dieléctrico35 y el control de correlación a través de estructuras multifrecuencia36,37, que serían candidatos prometedores para fuentes de energía de THz de alta potencia que permitan futuros TeV colisionadores lineales para la investigación de física de alta energía, fuentes de luz basadas en aceleradores de clase GeV que respaldan diversas ciencias básicas.

Si bien se requiere el campo de estela de un solo electrón para calcular el campo de estela de un haz, es imposible simular un solo electrón con precisión usando códigos de simulación convencionales. Sin embargo, el impacto de la distribución se vuelve insignificante cuando la longitud del grupo es de alrededor del 1% de la longitud de onda del wakefield. Por lo tanto, generamos un grupo corto cuya longitud de grupo es comparable al tamaño del paso de simulación para minimizar el impacto de la distribución. El potencial de estela de este grupo corto fue normalizado por la carga y la longitud de la estructura para que pueda considerarse como la función de estela (es decir, el campo de estela de un solo electrón).

La simulación ECHO2D devuelve campos de estela longitudinales para modos azimutales definidos. Incluimos los primeros cuatro modos azimutales porque la magnitud del quinto modo es menos del 1% del primer modo que es dominante. Los campos de estela transversales se calcularon a partir de los campos de estela longitudinales utilizando el teorema de Panofsky-Wenzel. Para la comparación, generamos y rastreamos un haz de lápiz. Se ignoró la distribución transversal del haz debido al impacto insignificante del campo de estela transversal en los cambios de posición de las partículas (menos de 50 \(\upmu\)m). Por otro lado, un perfil actual del haz determina las principales características de wakefield. Por lo tanto, importamos perfiles de corriente medidos como entrada de simulación. El tamaño del paso de simulación fue de 100 \(\upmu\)m. En cada paso de tiempo, modificamos el perfil actual actual con la función de activación.

Los datos que respaldan el resultado de esta demostración están disponibles de los autores correspondientes previa solicitud razonable.

Se ha publicado una corrección de este artículo: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31386-1

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Este trabajo fue apoyado por MIST y POSTECH (2018R1A6B4023605) y también por el Departamento de Energía, Oficina de Física de Alta Energía, bajo el Contrato No. DE-AC02-06CH11357. Los autores del Laboratorio del Acelerador de Pohang quisieran agradecer al Dr. Alexander Zholents por su sugerencia sobre esta investigación de la estructura de THz. El autor G. Ha quisiera agradecer al Dr. Chunguang Jing por sus perspicaces comentarios sobre los resultados de la medición.

Laboratorio del acelerador de Pohang, POSTECH, Pohang, Gyungbuk, 37673, Corea

H. Kong, S.-H. Kim, J.-H. Kim y J.-M. buscar

Departamento de Física, Universidad Nacional Kyungpook, Daegu, 41566, Corea

H Kong

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X sol

Departamento de Ciencias de Aceleradores, Universidad de Corea, Sejong, 30019, Corea

shin

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HK, S.-HK, J.-HK y SS desarrollaron un método basado en troquelado para fabricar estructuras THz. GH, J.-MS y MC realizaron una simulación para una prueba basada en haces. HK, XL y JS analizaron las características de RF de la estructura fabricada. GH, DSD, WL, JP, CW y EW realizaron pruebas de haz de electrones. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a G. Ha o S. Shin.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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La versión original en línea de este Artículo fue revisada: En la versión original de este Artículo, el autor G. Ha fue omitido como autor correspondiente. La correspondencia y las solicitudes de materiales también deben enviarse a [email protected].

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Reimpresiones y permisos

Kong, H., Chung, M., Doran, DS y col. Fabricación de estructura de wakefield corrugado THz y su prueba de alta potencia. Informe científico 13, 3207 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29997-9

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Recibido: 11 Octubre 2022

Aceptado: 14 febrero 2023

Publicado: 24 febrero 2023

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

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