[論文レビュー] Method for the determination of the three-dimensional structure of ultrashort relativistic electron bunches

Gianluca Geloni, P. Ilinski+3 more|ArXiv.org|May 11, 2009

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、X線自由電子レーザー（XFEL）における超短時間（100 fs未満）の相対論的電子ビームを、光学的に変調された電子ビームから生成されるコherentな光学的遷移放射（OTR）を用いて、1回の撮影で波長制限、3次元的にイメージングする新規な手法を提案する。光学レプリカ合成器（ORS）とコherent OTRイメージャーを組み合わせることで、直接イメージング、回折イメージング、およびフーリエ変換ホログラフィーを用いて、フェムト秒スケールの時間分解能とマイクロメーター級の空間分解能を達成するリアルタイムの電子ビーム診断が可能になる。

ABSTRACT

We describe a novel technique to characterize ultrashort electron bunches in X-ray Free-Electron Lasers. Namely, we propose to use coherent Optical Transition Radiation to measure three-dimensional (3D) electron density distributions. Our method relies on the combination of two known diagnostics setups, an Optical Replica Synthesizer (ORS) and an Optical Transition Radiation (OTR) imager. Electron bunches are modulated at optical wavelengths in the ORS setup. When these electron bunches pass through a metal foil target, coherent radiation pulses of tens MW power are generated. It is thereafter possible to exploit advantages of coherent imaging techniques, such as direct imaging, diffractive imaging, Fourier holography and their combinations. The proposed method opens up the possibility of real-time, wavelength-limited, single-shot 3D imaging of an ultrashort electron bunch.

研究の動機と目的

• X線自由電子レーザー（XFEL）における超短時間（100 fs未満）の電子ビームを特徴づけることは、従来の電子的診断法では速度が不十分であるという、極めて重要な課題に応えること。
• フェムト秒スケールの時間分解能とマイクロメーター級の空間分解能を備えた、電子ビームの電荷密度の完全な3次元時空間再構成を可能にすること。
• OTR放射のコherenceと高出力性を活用し、従来1次元パルス診断に用いられていた光学診断技術を、電子ビームの3次元イメージングに拡張すること。
• 既存の光学機器と将来のより短いパルス（10 fsまで）を想定したXFEL要件に適合する、実用的でスケーラブルな診断ソリューションの開発すること。

提案手法

• 光学レプリカ合成器（ORS）を用いて、電子ビームを光波長で変調し、電子ビームの電流プロファイルの光学的レプリカを生成する。
• 変調された電子ビームを金属箔を通過させることで、高出力（数MW）かつ広帯域スペクトル特性を有するコherent OTRを生成する。
• 直接イメージング、回折イメージング、およびフーリエ変換ホログラフィー（FTH）といったコherentイメージング技術を適用し、OTR放射から3次元電子密度分布を再構成する。
• ポイント spread 関数の改善と画像分解能の向上を図るため、偏光変換器やフーリエ面マスクなどの高度な光学素子を導入する。
• 反復的位相回復アルゴリズム（例：Gerchberg-Saxton、Fienup）を用いて、フーリエ領域における強度測定から3次元電子密度を再構成する。
• FRODI（OTR回折強度からのフーリエリトリーブ）およびHOTRI（ホログラフィック OTR 再構成イメージング）といった新規技術を考案し、空間的・時間的フーリエ領域解析を用いた1回撮影および複数回撮影による3次元イメージングを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学的に変調された電子ビームからのコherent OTRが、電子ビームの3次元イメージングに適した高コherence性・高出力光源として利用可能か。
• RQ2 FROG、FTH、回折イメージングといった既存の光学診断技術が、超短時間電子ビームの3次元的・時間的電荷密度を再構成するためにどの程度適応可能か。
• RQ3 システムの収差、ずれ、ノイズレベルが、コherent OTRイメージングを用いた3次元再構成の忠実度にどのように影響を与えるか。
• RQ4 OTRのハローを参照波として用いる自己参照FTHにより、任意の電子ビームの1回撮影による3次元イメージングが可能か。
• RQ5 分解能と信号対雑音比を最大化するための最適な光学配置（例：マスク、偏光制御）は何か。

主な発見

• 本手法により、フェムト秒スケールの時間分解能とマイクロメーター級の空間分解能を備えた、1回撮影で波長制限された超短時間電子ビームの3次元イメージングが可能になる。
• 変調された電子ビームからのコherent OTRは、高出力（数MW）の放射パルスを生成し、既存の光学診断ツールを用いた高感度イメージングに適している。
• FRODI や HOTRI といった技術により、外部参照パルスを必要としない自己参照モードで、1回撮影および複数回撮影の両方を用いて電子ビームの完全な3次元再構成が可能になる。
• フーリエ面マスクや偏光変換器などの光学素子の使用により、コherent OTRイメージングにおけるポイント spread 関数と画像分解能が顕著に向上する。
• 200 nm などの短波長光学素子を用いることで、10 fs の電子ビームに対しても本手法はスケーラブルであり、既存のチタンサファイアレーザー高調波および FROG 装置と互換性がある。
• 数値シミュレーションにより、反復的位相回復アルゴリズム（例：Gerchberg-Saxton）が、OTR強度データから高忠実度の3次元電子密度分布を成功裏に再構成できることを確認した。