[論文レビュー] Circular polarization control for the LCLS baseline in the soft X-ray regime

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

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、LCLSのベースライン構成を用いて、ソフトX線領域の基本調波で10 GW級、99%の円偏光度を達成する低コストで容易に実装可能な手法を提案する。平面型ウインドレーターの直後に40 mの直線部を設け、その後に5 mのAPPLE II型ヘリカルウインドレーターを設置することで、事前に生成されたマイクロバンチングが保持され、高純度の偏光と最小限のベースライン運用への影響でコherent放射が可能になる。

ABSTRACT

The LCLS baseline includes a planar undulator system, producing linearly polarized light in the range 0.15-1.5 nm. Polarization control in the soft X-ray region from linear to circular is highly desirable. Several schemes using helical undulators have been discussed for the LCLS. One consists in replacing three of the last planar undulator segments by APPLE III. A second proposal, the 2nd harmonic helical afterburner, uses short, crossed undulators tuned to the second harmonic. This last scheme is expected to be the better one. Its advantages are a high and stable degree of circular polarization and a low cost. Its disadvantage is a small output power and a narrow wavelength range. We propose a novel method to generate 10 GW level power at the fundamental harmonic with 99% degree of circular polarization from the LCLS baseline. Its merits are low cost, simplicity and easy implementation. After the baseline undulator, the electron beam is sent through a 40 m long straight section, and subsequently passes through a short APPLE II radiator. The microbunch structure is easily preserved, and intense coherent radiation is emitted in the helical radiator. The background radiation from the baseline undulator is suppressed by letting radiation and electrons through horizontal and vertical slits upstream the helical radiator, where the radiation spot size is about ten times larger than the electron bunch transverse size. Using thin Beryllium foils for the slits the divergence of the electron beam halo increases by Coulomb scattering, but the beam will propagate through the setup without electron losses. The applicability of our method is not restricted to the LCLS baseline setup. LCLS II or the European XFEL may benefit from this work as well, due to availability of sufficiently long free space at the end of undulator tunnel.

研究の動機と目的

• LCLSベースラインにおけるソフトX線領域での高精度な円偏光制御を可能にし、超高速磁気現象や物性の研究に不可欠である。
• ベースラインの平面型ウインドレーターが線形偏光放射しか生成しないという制限を克服し、実用的な偏光制御方式を導入する。
• ベースライン運用を損なわず、大幅な再設計を要せず、10 GWのピークパワーで99%以上の円偏光度を達成する。
• 既存のLCLSインfraストラクチャと互換性があり、他のXFEL施設にも容易に実装可能な低リスク・低コストのソリューションを開発する。

提案手法

• ベースラインの平面型ウインドレーターの直後に40 mの直線部を設け、電子ビームのマイクロバンチングをヘリカル放射器への入射前に保持する。
• 直後に5 mのAPPLE II型ヘリカルウインドレーターを設置し、基本調波（1.5 nm）に調整することで、事前にバンチングされたビームからのコherentな円偏光放射を生成する。
• 平面型ウインドレーターからのバックグラウンド放射を抑制するために、ヘリカルウインドレーターの上流に水平および垂直スリットを設置し、電子バンチサイズよりも大きな放射スポットサイズを活用する。
• 薄いケイ酸ケイ素箔をスリットとして使用することで、クーロン散乱により電子ビームのハロー発散を増大させ、不要な放射をフィルタリングしつつ、電子損失を最小限に抑える。
• この手法は、平面型ウインドレーターにおけるSASEプロセスによるマイクロバンチング生成に依存しており、その後にヘリカル放射器でコherentに利用することで、強力で円偏光度の高いパルスを生成する。
• この方式は非干渉的設計である。ベースラインウインドレーターの動作を変更せず、最小限の停止時間で迅速に設置可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンactなダウンストリームヘリカルウインドレーターを用いて、ソフトX線領域の基本調波で99%を超える高い円偏光度を達成できるか？
• RQ2 ベースラインの平面型ウインドレーターから生成されたマイクロバンチングが40 mの直線部を通過しても保持され、その後のヘリカル放射器でコherent放射が可能になるか？
• RQ3 ベースラインウインドレーターからのバックグラウンド放射が、顕著な電子ビーム損失を伴わず効果的に抑制できるか？
• RQ4 この構成で得られる円偏光放射のピークパワーとスペクトル帯域幅はどの程度か？
• RQ5 提案手法は低コストかつ安全であり、LCLSやヨーロピアンXFELのような既存のXFELインfraストラクチャと互換性があるか？

主な発見

• 提案手法では、基本調波（1.5 nm）でピークパワー約10 GWを達成し、ベースラインLCLSウインドレーターの飽和パワーと一致する。
• 円偏光度は99%に達し、従来の高調波ベース手法の90%の限界を大幅に上回り、理論的上限に近づく。
• この手法は、ベースラインのLCLSウインドレーターの運用を保持する。ヘリカル放射器はダウンストリームに設置されており、元の電子ビーム経路やチューニングに干渉しない。
• ヘリカルウインドレーターの上流にスリットを設置することで、バックグラウンド放射が効果的に抑制され、放射スポットサイズが電子バンチの横断的サイズの約10倍であることが利点となる。
• 薄いケイ酸ケイ素箔によるクーロン散乱により、ビームハロー発散が増大するが、コアビームの損失は顕著に小さく、電子損失は最小限に抑えられる。
• この方式はスケーラブルであり、LCLS IIやヨーロピアンXFELなど、ウインドレーター・トンネルの末端に十分な自由空間を有する他のXFEL施設にも適用可能である。