[論文レビュー] Cost-effective way to enhance the capabilities of the LCLS baseline

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2010

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 8被引用数 24

ひとこと要約

本論文では、LCLSベースラインでフォアーリエ変換限界、完全にコherentなX線パルスを実現するため、4メートルの磁気チカン内にコンactな単結晶モノクロメーターを用いた低コストな1束自己シーディング方式を提案する。この手法により、100 GWに達する高出力で帯域幅が狭い放射線が得られ、正確なタイミングを要しないまま、完全な偏光制御、結晶を用いたビーム偏向、フェムト秒分解能のポンププローブ実験といった高度な機能が可能になる。

ABSTRACT

This paper discusses the potential for enhancing the LCLS hard X-ray FEL capabilities. In the hard X-ray regime, a high longitudinal coherence will be the key to such performance upgrade. The method considered here to obtain high longitudinal coherence is based on a novel single-bunch self-seeding scheme exploiting a single crystal monochromator, which is extremely compact and can be straightforwardly installed in the LCLS baseline undulator. We present simulation results dealing with the LCLS hard X-ray FEL, and show that this method can produce fully-coherent X-ray pulses at 100 GW power level. With the radiation beam monochromatized down to the Fourier transform limit, a variety of very different techniques leading to further improvements of the LCLS performance become feasible. In particular, we describe an efficient way for obtaining full polarization control at the LCLS hard X-ray FEL. We also propose to exploit crystals in the Bragg reflection geometry as movable deflectors for the LCLS X-ray transport systems. The hard X-ray beam can be deflected of an angle of order of a radian without perturbations. The monochromatization of the output radiation constitutes the key for reaching such result. Finally, we describe a new optical pump - hard X-ray probe technique which will allow time-resolved studies at the LCLS baseline on the femtosecond time scale. The principle of operation of the proposed scheme is essentially based on the use of the time jitter between pump and probe pulses. This eliminates the need for timing XFELs to high-power conventional lasers with femtosecond accuracy.

研究の動機と目的

• LCLSのハードX線FELパルスの縦方向コherenceを、主要なインfra構造の変更なしに向上させること。
• コンパクトで低コストなアップグレードにより、100 GWレベルの高出力で完全にコherentなX線出力が得られること。
• 偏光制御、ビーム偏向、時間分解ポンププローブ分光法といった新しい実験的機能を解き放つこと。
• 既存のLCLSベースライン構成で最小限の変更で、自己シーディング方式の実現可能性を示すこと。
• 時間分解実験におけるポンプ・プローブレーザー間の超高精度タイミング依存性を低減すること。

提案手法

• LCLSベースラインのウインドレーター内に、4メートルの磁気チカン内に単結晶モノクロメーターをブレッグ透過幾何学で設置する。
• 自己シーディングにより1つの電子束でシードパルスを生成する方式を採用し、時間ジャッターおよび同期の問題を回避する。
• モノクロメーターがSASE FEL放射線から狭帯域を選択し、フォアーリエ変換限界へのスペクトル圧縮を実現する。
• その後のウインドレーター部は、最後の10セルで約1%の傾斜をかけてトーンされ、単色シードを100 GWのピークパワーに増幅する。
• X線ミラーを用いて、異なるウインドレーター部から発生する2つのSASEパルスを空間的に分離し、ポンププローブ実験に用いる。
• 結晶をブレッグ反射幾何学で用いることで、ビームラインに影響を与えずに単色ビームを指向制御する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクトな単結晶モノクロメーターを用いた1束自己シーディング方式は、LCLSベースラインでフォアーリエ変換限界、完全にコherentなX線パルスを実現できるか？
• RQ2 この手法は、電子ビームの迂回や二束束の方式を要せず、100 GW出力が可能か？
• RQ3 モノクロマチゼーションにより、最小限の追加コストで実験室で完全な偏光制御が可能になるか？
• RQ4 単色X線は結晶を用いた偏向器の使用を可能とし、ビーム輸送および新たな実験室構成を可能にするか？
• RQ5 ポンプとプローブレーザー間のフェムト秒レベルの正確なタイミングを要せず、時間分解ポンププローブ実験が可能か？

主な発見

• 自己シーディング方式により、フォアーリエ変換限界に達する完全にコherentなX線パルスが実現され、縦方向コherenceが顕著に向上した。
• 2番目のウインドレーター部（12セル）で約1.5 GWのピークパワーが達成され、新規束技術を用いることで10 GWまで向上する可能性がある。
• 高電荷モード（例：0.25 nC）に適用した場合、ピークブリリアンスが2桁向上する。
• モノクロマチゼーションにより、最小限の追加コストでX線位相遅延素子を下流に設置することで、完全な偏光制御が可能になった。
• ブレッグ反射幾何学の結晶偏向器は、単色パルスの狭帯域性に起因し、1ラジアンまでのビーム偏向が可能であり、ビーム劣化なしに実現できる。
• 空間的に分離されたSASEパルス（0.1501 nm および 0.1527 nm）を用いたポンププローブセットアップにより、明確なスペクトル分離が達成され、正確なタイミングを要せず時間分解研究が可能になった。