[論文レビュー] Control of the amplification process in baseline XFEL undulator with mechanical SASE switchers

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2010

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、欧州XFELのベースラインSASE2ウンドレーター内で、シャッターや磁気チカインを用いて増幅プロセスを制御することにより、同時に複数色のX線パルスを生成できる機械的SASEスイッチャー方式を提案する。異なるウンドレーター部においてSASEメーザーを切り替えながら、1つの電子ビームを用いて0.1 nm、0.15 nm、0.2 nmの波長で独立して飽和を達成可能であり、複数ユーザー向け施設として、光ビームを分離したビームラインへ分配可能である。

ABSTRACT

The magnetic gap of the baseline XFEL undulators can be varied mechanically for wavelength tuning. In particular, the wavelength range 0.1 nm - 0.4 nm can be covered by operating the European XFEL with the SASE2 undulator. The length of the SASE2 undulator (256.2 m) is sufficient to independently generate three pulses of different radiation wavelengths at saturation. Normally, if a SASE FEL operates in saturation, the quality of the electron beam is too bad for generation of SASE radiation in the subsequent part of undulator which is resonant at a few times longer wavelength. The new method of SASE undulator-switching based on the rapid switching of the FEL amplification process proposed in this paper is an attempt to get around this obstacle. Using mechanical SASE shutters installed within short magnetic chicanes in the baseline undulator, it is possible to rapidly switch the FEL photon beam from one wavelength to another, providing simultaneous multi-color capability. Combining this method with a photon-beam distribution system can provide an efficient way to generate a multi-user facility.

研究の動機と目的

• 欧州XFELのベースラインSASE2ウンドレーター内で、3つの異なるX線波長（0.1 nm、0.15 nm、0.2 nm）を同時に生成すること。
• 飽和SASE放射が電子ビームの品質を劣化させ、より短い波長でのその後のSASEメーザー発振を不可能にするという制限を克服すること。
• 機械的シャッターや磁気チカインを用いて、1つのウンドレーター内でFEL増幅プロセスのオン・オフを切り替える方法を開発すること。
• 異なる実験ステーションへ独立して同時に複数色パルスを供給できるようにすることで、複数ユーザー向けXFEL施設を支援すること。
• X線ミラーと水平オフセット光学素子を用いて、3つの異なる波長を分離し、別々のビームラインへ導く光ビーム分配システムを設計すること。

提案手法

• 機械的SASEスイッチャーをSASE2ウンドレーターの重要な位置に設置し、それぞれが弱い磁気チカインと機械的シャッターから構成される。
• 磁気チカインは、前段のSASE増幅による電子ビームの調制を横方向のオフセットを介して消去し、その後のメーザー発振に適したビーム品質を保持する。
• シャッターは、最初のウンドレーター部におけるSASE放射が透過されるか吸収されるかを制御し、後続のセグメントでの増幅プロセスを選択的に活性化可能にする。
• 1 Hzの繰り返しサイクルで動作し、スイッチング時間が100 ms未塔であるため、3色動作の順次オン・オフ・オンのスイッチングが可能である。
• 光ビームの分離は、各ウンドレーター部の後段に設置されたX線ミラーを用いて達成され、波長ごとに水平方向に分離される。
• 水平オフセット（約3 mm）は、9 mmの真空チャンバーアパーチャに収まりつつ、実験ステーションでの十分なビーム分離を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長大なウンドレーターの異なるセグメントにおいて、SASE増幅プロセスを独立して制御することで、複数のX線波長を同時に生成できるか？
• RQ2 機械的シャッターや磁気チカインが、初期の飽和後に電子ビームの品質を保持できるか？これにより、より短い波長でのその後のSASEメーザー発振が可能になるか？
• RQ3 ウンドレーター内での水平分離技術を用いて、3つの異なるX線パルスを別々のビームラインに分配することは可能か？
• RQ4 実用的な複数ユーザー向けXFEL施設を支えるために、必要なスイッチング時間と運用周波数は何か？
• RQ5 X線ミラーとオフセット光学素子を用いた光ビーム分配システムが、十分なスペクトル的および空間的分離を達成できるか？

主な発見

• 本手法により、同じ電子ビームとウンドレーター長さ内で、0.1 nm、0.15 nm、0.2 nmの3つの異なるX線波長を同時に生成可能である。
• シャッターがオフの場合、2番目のウンドレーター部は0.2 nmで飽和に達し、ピーク出力は10 GWに達する。これは、効率的なシード増幅を示している。
• シャッターがオンの場合、2番目のセグメントは線形SASE領域で動作し、出力は0.1 GWにとどまるが、その後の短波長でのメーザー発振に適した電子ビーム品質が保持される。
• 最初のスイッチ後も、電子ビームはさらなる増幅に適した「活性媒体」としての性質を維持しており、後続セグメントで0.15 nmおよび0.1 nmでの成功したメーザー発振が可能である。
• X線ミラーを各ウンドレーター部の後段に設置することで、光ビーム分離が達成され、約3 mmの水平オフセットが実験ステーションでミリメートルスケールの分離を可能にする。
• 1 Hzの繰り返しレートをサポートし、スイッチング時間が100 ms未塔であるため、実用的なオン・オフ・オンサイクルによる3色動作が可能である。