[論文レビュー] Next Generation High Brightness Electron Beams From Ultra-High Field Cryogenic Radiofrequency Photocathode Sources

J. B. Rosenzweig, A. Cahill+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2016

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 2被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、低温に冷却されたRFキャビティにおける超高電界を活用することで、電子ビームの輝度を顕著に向上させる次世代の低温RF光電子注入器を提案する。250 MV/mの高電界と低正規化発散角（約40 nm·rad）および高電流を実現することで、80 keVの光子エネルギーにまで達するハードX線自由電子レーザー（XFEL）の効率的運用が可能となり、超高速電子回折および顕微鏡応用における極めて短い時間分解能が実現可能となる。

ABSTRACT

Recent studies of the performance of radio-frequency (RF) copper cavities operated at cryogenic temperatures have shown a dramatic increase in the maximum achievable surface electric field. We propose to exploit this development to enable a new generation of photoinjectors operated at cryogenic temperatures that may attain, through enhancement of the launch field at the photocathode, a significant increase in five-dimensional electron beam brightness. We present detailed studies of the beam dynamics associated with such a system, by examining an S-band photoinjector operated at 250 MV/m peak electric field that reaches normalized emittances in the 40 nm-rad range at charges (100-200 pC) suitable for use in a hard X-ray free-electron laser (XFEL) scenario based on the LCLS. In this case, we show by start-to-end simulations that the properties of this source may give rise to high efficiency operation of an XFEL, and permit extension of the photon energy reach by an order of magnitude, to over 80 keV. The brightness needed for such XFELs is achieved through low source emittances in tandem with high current after compression. In the XFEL examples analyzed, the emittances during final compression are preserved using micro-bunching techniques. Extreme low emittance scenarios obtained at pC charge, appropriate for significantly extending temporal resolution limits of ultrafast electron diffraction and microscopy experiments, are also reviewed. While the increase in brightness in a cryogenic photoinjector is mainly due to the augmentation of the emission current density via field enhancement, further possible increases in performance arising from lowering the intrinsic cathode emittance in cryogenic operation are also analyzed. Issues in experimental implementation, including cavity optimization for lowering cryogenic thermal dissipation, external coupling, and cryo-cooler system are discussed.

研究の動機と目的

• 次世代のハードX線自由電子レーザー（XFEL）を実現するため、より高い電子ビーム輝度の必要性に対応する。
• 常温下で達成可能な最大電界に制限を受ける従来の光電子注入器の限界を克服する。
• 低温運転が場発射の向上と固有のキャソード発散角の低減に与える可能性を検討する。
• 極めて低い発散角制御を実現するpCレベルの電荷ビームを用いて、100 fs未満の時間分解能を達成する超高速電子回折および顕微鏡を可能にする。
• 熱的・結合的・冷却的課題に対応する低温RF光電子注入器の実用的設計フレームワークを構築する。

提案手法

• 低温冷却されたRF銅キャビティを用いて、表面電界を極めて高く（最大250 MV/m）にし、常温下の限界を著しく上回る。
• キャビティの高電界領域にフォトリソードを設置することで、電界増強発射の恩恵を受けて、電流密度と輝度を向上させる。
• SバンドRF構造を用いた、発射から最終圧縮までのビームダイナミクスの全過程を模擬するシミュレーションを実施する。
• ビーム圧縮過程でマイクロバンチング技術を適用し、発散角を低く保ち、圧縮後の高輝度を維持する。
• 理論的モデルと材料依存の電界発射挙動を用いて、低温下における固有キャソード発散角の低減を分析する。
• キャビティの幾何形状と外部結合を最適化することで、低温下での熱損失を最小限に抑え、外部RF入力による安定運転を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RFキャビティの低温運転は、常温運転と比較して、表面電界の最大値をどの程度まで向上させ得るか。
• RQ2 低温下で高い発射電界と低い固有キャソード発散角を併せ持つ場合、電子ビーム全体の輝度にどのような影響を与えるか。
• RQ3 マイクロバンチング技術は、低温光電子注入器系におけるビーム圧縮過程で発散角を維持できるか。
• RQ4 このような高輝度光源によって駆動されるXFELで達成可能な最大光子エネルギーは何か。また、そのために必要なビームパラメータは何か。
• RQ5 低温RF光電子注入器を実装するにあたり、主な工学的課題は何か。また、キャビティ設計と冷却システム統合によって、それらをどのように緩和できるか。

主な発見

• RFキャビティの低温運転により、表面電界が最大250 MV/mまで向上し、通常の常温下の限界を著しく上回る。
• 250 MV/mの条件下で、100–200 pCのビーム電荷に対して正規化発散角が約40 nm·radの範囲に収まり、LCLSベースのXFELに適している。
• 全過程シミュレーションにより、このソースが80 keVを超える光子エネルギーにまで達するハードX線FELの効率的運用を可能にする。
• 低発散角と高電流により輝度が顕著に向上し、マイクロバンチング技術により圧縮過程での発散角の維持が実現される。
• pCレベルの電荷で極めて低い発散角のビームが実現可能であり、超高速電子回折および顕微鏡応用における100 fs未満の時間分解能を支援する。
• 低温運転により固有キャソード発散角がさらなる低減が可能となり、電界増強効果に加え、さらなる性能向上が得られる可能性がある。