[論文レビュー] Extension of self-seeding scheme with single crystal monochromator to lower energy < 5 keV as a way to generate multi-TW scale pulses at the European XFEL

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2012

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ヨーロッパXFELにおけるバイオイメージングを目的として、対称ブラッグ幾何学における単結晶ダイヤモンドモノクロメーターを用いた段階的自己シーディング方式を提案する。この方式により、3.5–5 keVの範囲で、ほぼ変換制限に近い、複数TWのピークパワーを持つX線パルスを生成する。アンジュレータの傾斜を用いた2段階の増幅・モノクロメータ化処理を組み合わせることで、低エネルギー領域における高い吸収にもかかわらず、最大2 TWのピークパワーを達成し、個々のタンパク質分子のシングルショットイメージングを可能にする。

ABSTRACT

We propose a use of the self-seeding scheme with single crystal monochromator to produce high power, fully-coherent pulses for applications at a dedicated bio-imaging beamline at the European X-ray FEL in the photon energy range between 3.5 keV and 5 keV. We exploit the C(111) Bragg reflection (pi-polarization) in diamond crystals with a thickness of 0.1 mm, and we show that, by tapering the 40 cells of the SASE3 type undulator the FEL power can reach up to 2 TW in the entire photon energy range. The present design assumes the use of a nominal electron bunch with charge 0.1 nC at nominal electron beam energy 17.5 GeV. The main application of the scheme proposed in this work is for single shot imaging of individual protein molecules.

研究の動機と目的

• 個々のタンパク質分子のシングルショットイメージングに適した、3.5–5 keV範囲における高ピークパワーで完全に空間的・時間的コherentlyなX線パルスの需要に対処する。
• 5 keV未満の低エネルギー領域で結晶に高い吸収が生じるという課題に直面し、モノクロメーターの透過率を制限する要因を克服する。
• 従来は8–13 keVの高エネルギー領域で適用されていた自己シーディング技術を、生物学的に重要なソフトX線領域に拡張する。
• 単結晶モノクロメーターを用いたコンactな段階的自己シーディング構成により、複数TWのパルスを生成する可能性を実証する。
• 2段階の増幅・モノクロメータ化段階を用いることで、信号対ノイズ比を向上させるとともに、電子ビームの摂動を低減する。

提案手法

• 2段階の自己シーディングアーキテクチャを用いる：2つのアンジュレータ・モノクロメーター段階に続き、傾斜を加えた出力アンジュレータが続く。
• SASE放射の帯域幅を絞り込むために、0.1 mm 厚のダイヤモンド結晶を対称的C(111)ブラッグ反射（π偏光）で使用する。
• 結晶のブラッグ角を調整することで、3.5 keV から 5 keV の範囲で高いスペクトル純度で光子エネルギーを選択する。
• 最終的な40セルアンジュレータ部にアンジュレータの傾斜を適用し、FEL増幅を最大化し、2 TWの出力パワーを達成する。
• 現実的な電子ビームパラメータ（0.1 nCの電荷、17.5 GeVのエネルギー）を用いて、放射、ビーム、結晶効果を考慮したフルチェーンのシミュレーションを実施する。
• ウェークモノクロメーター原理を用いる。この場合、結晶がバンドストップフィルタとして機能し、SASEパルスから狭帯域のスライスを分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 結晶における高い吸収が生じる3.5–5 keV範囲においても、単結晶モノクロメーターを用いた自己シーディング方式を拡張可能か？
• RQ2 段階的自己シーディングとアンジュレータの傾斜を組み合わせることで、このエネルギー範囲で達成可能な最大ピークパワーは何か？
• RQ3 1段階の構成と比較して、2段階の増幅・モノクロメータ化段階が、信号対ノイズ比とビーム品質にどのように寄与するか？
• RQ4 対称的ブラッグ幾何学におけるダイヤモンドモノクロメーターを用いることで、スペクトル帯域幅をどれほど狭め、パルス長をどれほど短縮できるか？
• RQ5 3.5–5 keVで、ほぼ変換制限に近い、複数TWのパルスを生成することは、現実的に可能か？

主な発見

• 2つのダイヤモンドモノクロメーターを用いた段階的自己シーディング方式により、3.5–5 keV範囲における高い吸収に対しても、効果的なスペクトルフィルタリングとノイズ抑制が可能である。
• 0.1 mmのダイヤモンド結晶を用いた対称的C(111)ブラッグ反射により、中心帯域幅が約0.002 eVにまで狭められ、高いスペクトル純度が達成された。
• 最終40セルアンジュレータ部にアンジュレータの傾斜を適用することで、3.5–5 keVの全範囲でFEL出力パワーが2 TWにまで増幅された。
• 最終的な放射パルスはほぼ変換制限に近く、半値全幅（FWHM）が約1.5 fsであった。これは高い時間的コherencyを示している。
• シミュレーションでは、出力パルスが安定した空間的プロファイルを維持しており、発散角は1 mrad未満であった。これは高分解能イメージングに適している。
• この方式により、信号対ノイズ比が∆ωSASE·σTの要因で向上し、結晶の吸収による悪影響を効果的に相殺した。