[論文レビュー] Extension of self-seeding to hard X-rays >10 keV as a way to increase user access at the European XFEL

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2011

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、単結晶モノクロメーターとアンジュレータのテーパリングを用いた自己シーディング技術の拡張を提案し、ヨーロッパXFELにおいて16 keVで100 GW、変換限界、単色のハードX線を生成する。高い単色性と圧電素子による高速結晶スイッチングを活用することで、同じ高繰り返しレートのビームを最大10の独立した実験に同時に配分できる光子ビーム分配システムを実現し、基準施設を変更せずにユーザー容量を顕著に向上させる。

ABSTRACT

We propose to use the self-seeding scheme with single crystal monochromator at the European X-ray FEL to produce monochromatic, high-power radiation at 16 keV. Based on start to end simulations we show that the FEL power of the transform-limited pulses can reach about 100 GW by exploiting tapering in the tunable-gap baseline undulator. The combination of high photon energy, high peak power, and very narrow bandwidth opens a vast new range of applications, and includes the possibility to considerably increase the user capacity and fully exploit the high repetition rate of the European XFEL. In fact, dealing with monochromatic hard X-ray radiation one may use crystals as deflectors with minimum beam loss. To this end, a photon beam distribution system based on the use of crystals in the Bragg reflection geometry is proposed for future study and possible extension of the baseline facility. They can be repeated a number of times to form an almost complete (one meter scale) ring with an angle of 20 degrees between two neighboring lines. The reflectivity of crystal deflectors can be switched fast enough by flipping the crystals with piezo-electric devices similar to those for X-ray phase retarders at synchrotron radiation facilities. It is then possible to distribute monochromatic hard X-rays among 10 independent instruments, thereby enabling 10 users to work in parallel. The unmatched repetition rate of the European XFEL would be therefore fully exploited.

研究の動機と目的

• SASE FEL放射のバンド幅が広いため、ヨーロッパXFELにおけるユーザーのアクセスが制限されている問題に対処する。
• 高繰り返しレートで高出力のX線パルスを複数ユーザーに同時に効率的に配分する課題を克服する。
• ヨーロッパXFELの10 Hz繰り返しレートを最大限に活用するため、複数ユーザー向けのビームライン配布に適した単色ビームを生成する。
• ブラッグ反射幾何学における圧電素子でスイッチ可能な結晶デフォルタを用いて、スケーラブルで高速な光子ビーム分配システムを開発する。
• 高エネルギー光子（>10 keV）と狭帯域スペクトル幅が、結晶を用いたビームルーティングにおいて最小限の吸収と高い反射率を実現できることを示す。

提案手法

• 16 keVにおける変換限界パルスに帯域幅を狭めるために、単結晶モノクロメーターを用いた二段階の自己シーディング方式を実装する。
• 可変ギャップ基準アンジュレータでアンジュレータテーパリングを適用し、単色化されたシードをピーク出力約100 GWまで増幅する。
• 初期放射の2次高調波を新たなシードとし、0.075 nm（16 keV）にチューニングされた2番目のアンジュレータ部でギャップをテーパリングして増幅する。
• 圧電素子でスイッチ可能な結晶デフォルタをブラッグ反射幾何学に配置したビーム分配システムを設計し、反射ビームの高速オン/オフ切り替えを可能にする。
• 複数の結晶デフォルタをほぼ円形のリング配置（隣接ライン間で20°）に配置し、10台の独立した装置にビームをルーティングする。
• 0.007%程度の狭帯域スペクトル幅と16 keV X線の高い透過性を活用し、0.05 mmのダイヤモンド結晶を用いて約99%の反射率を達成し、吸収損失を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己シーディングとアンジュレータテーパリングを10 keVを超えるハードX線に拡張可能か？ これにより高ピークパワーと狭帯域が達成可能か？
• RQ2 既存の基準アンジュレータ構成を変更せずに、ヨーロッパXFELで16 keVの単色で高出力X線パルスを生成可能か？
• RQ3 ブラッグ幾何学における結晶ベースのデフォルタが、高エネルギー光子において高速かつ効率的かつ低損失のビームスイッチングを実現可能か？
• RQ4 単色ビーム配布により、ヨーロッパXFELの高繰り返しレートをどの程度まで完全に活用可能か？
• RQ5 自己シーディングとアンジュレータテーパリングを16 keVで組み合わせた場合、変換限界パルスの達成可能なピークパワーとスペクトル純度はどの程度か？

主な発見

• 提案手法により、自己シーディングとアンジュレータテーパリングを用いて、16 keV（0.075 nm）で約100 GWのピークパワーを持つ変換限界X線パルスが達成された。
• スタート・トゥ・エンドのシミュレーションにより、FEL出力エネルギーが100 GWに飽和し、スペクトル帯域幅が約0.007%（変換限界パルス）に達することが確認された。
• ブラッグ反射幾何学における0.05 mmの厚さの結晶デフォルタは、16 keV X線に対して約99%の反射率と4%未満の吸収損失を達成した。
• ビーム分配システムにより、圧電素子駆動による結晶反射率のスイッチングによって、単色X線ビームを10台の独立した装置にルーティング可能となった。
• 結晶デフォルタの角度的受容域はビーム発散角と一致しており、最小限の歪みや損失で全パルスを反射可能であった。
• 10 Hzの高繰り返しレートでの効率的かつ高速なマルチユーザー運用が可能であり、1ミリ秒未満のスイッチング速度を実現した。