[論文レビュー] A simple method for controlling the line width of SASE X-ray FELs

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2010

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 9被引用数 33

ひとこと要約

本論文は、単一結晶を透過幾何学に配置して用いることで、狭帯域で高コherenceなX線パルスを生成する、コンactで1束の電子ビームに特化した自己自己シーディング方式を提案する。結晶のバンドストップフィルタ応答と短い磁気チカンを用いることで、経路遅延や複雑なビームバイパスを必要とせず、スペクトル帯域幅を10⁻⁵まで低減可能であり、ベースラインの undulator システムへのハードウェア改変を最小限に抑えつつ、モノクローマチック出力を実現する。

ABSTRACT

This paper describes a novel single-bunch self-seeding scheme for generating highly monochromatic X-rays from a baseline XFEL undulator. Previous schemes made use of a four-crystal fixed-exit monochromator in Bragg geometry. In such monochromator the X-ray pulse acquires a cm-long path delay, which must be compensated. For a single-bunch self-seeding scheme this requires a long electron beam bypass, implying modifications of the baseline undulator configuration. To avoid this problem, a double bunch self-seeding scheme based on a special photoinjector setup was recently proposed. At variance, here we propose a new time-domain method of monochromatization exploiting a single crystal in the transmission direction, thus avoiding the problem of extra-path delay for the X-ray pulse. The method can be realized using a temporal windowing technique, requiring a magnetic delay for the electron bunch only. The proposed setup is extremely simple and composed of as few as two simple elements. These are the crystal and the short magnetic chicane, which accomplishes three tasks by itself. It creates an offset for crystal installation, it removes the electron micro-bunching produced in the first undulator, and it acts as a delay line for temporal windowing. Using a single crystal installed within a short magnetic chicane in the baseline undulator, it is possible to decrease the bandwidth of the radiation well beyond the XFEL design down to 10E-5. The installation of the magnetic chicane does not perturb the undulator focusing system and does not interfere with the baseline mode of operation. We present feasibility study and exemplifications for the SASE2 line of the European XFEL.

研究の動機と目的

• SASE X線FELの縦方向コherenceが低いことによる、フーリエ変換限界をはるかに超える広帯域スペクトルの問題を解決すること。
• 固定出力モニタマターを用いた従来の自己自己シーディング方式が、センチメートルスケールのX線経路遅延に起因する長大な電子ビームバイパスを必要としているという制限を克服すること。
• 単一結晶と最小限の磁気チカンのみを用いて、コンパクトでコスト効率の高い高モノクローマチックX線生成手法を開発すること。
• 欧州XFELのSASE2のコンmissioningフェーズに統合可能であり、ベースライン動作の中断や主要な undulator 再構成を要しないこと。

提案手法

• 単一結晶を透過幾何学に配置し、バンドストップフィルタとして機能させ、狭帯域の吸収共鳴を形成することで、X線パルスを長時間のモノクローマチックなウェークに整形する。
• 短い磁気チカン内に結晶を配置し、同時に電子ビームの遅延、最初の undulator からのマイクロバンチングの除去、および正確な時間窓処理を実現する。
• この手法は、回折の動的理論とKramers-Kronig関係を用いて、透過放射パルスの位相および振幅応答をモデル化する。
• 結晶を通過した後、X線パルスのモノクローマチックなウェークは、2番目の undulator 入口で遅延した電子ビームと重畳され、高利得増幅が行われる。
• システムは時間窓処理として機能する：X線パルスの長くコherentな尾部のみが遅延した電子ビームと重なるため、ノイズよりも優位なシードパワーが保証される。
• このセットアップには結晶と短いチカンの2つの部品のみを必要とし、既存のXFELインfraに容易に統合可能で、調整も簡単である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固定出力モニタマターに代わる複雑な4結晶Braggモニタマターを、X線経路遅延を生じさせることなく、単一結晶を透過幾何学に配置することで代替可能か？
• RQ2 電子ビームバイパスを要しない1束の電子ビーム方式で、10⁻⁵未満の相対スペクトル帯域幅を達成するのは現実的か？
• RQ3 短い磁気チカンが同時に電子ビーム遅延、マイクロバンチング除去、結晶設置のオフセットを提供可能か？
• RQ4 Bragg回折条件下における透過X線パルスの時間波形はどのように振る舞い、効果的なシーディングを可能にするか？
• RQ5 パルス長が長パルス動作におけるバンドストップフィルタの効果とモノクローマチックウェーク形成に与える影響は何か？

主な発見

• 提案手法は相対スペクトル帯域幅10⁻⁵を達成し、通常のSASE FEL帯域幅を著しく下回り、フーリエ変換限界に近づく。
• 結晶の透過スペクトルは狭帯域の吸収共鳴を示し、X線パルスを長時間のモノクローマチックウェークに変換し、散粒ノイズをはるかに上回るパワーを発生させる。
• 短い磁気チカンは3つの機能を効果的に果たしている：電子ビームの遅延、最初の undulator からのマイクロバンチングの除去、結晶設置の安定なオフセット。
• X線経路遅延を完全に回避しており、従来の1束の自己自己シーディング手法で必要とされる60 mの電子ビームバイパスを不要にする。
• 短パルスおよび長パルスモードの両方で実現可能であり、スペクトルおよび時間波形において明確なバンドストップフィルタリングとモノクローマチック尾部形成が確認された。
• この手法はベースライン undulator 構成と互換性があり、欧州XFELのSASE2のコンmissioningフェーズに設置可能で、2014年末までに運用可能となる見込みである。