[論文レビュー] Numerical study of transverse position monitor and compensation for x-ray polarization diagnosis

Zipeng Liu, Bangjie Deng+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2021

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 46被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、X線自由電子レーザー（XFEL）偏光計測のためのeTOF偏光計測器を用いて、1回の撮影で同時に行える横方向ビーム位置モニタリングおよび偏光補正手法を提案する。光電子の角度分布をモデル化し、位置に敏感な電荷測定を用いてビームのずれを補正することで、20 µmの空間分解能を達成し、完全に偏光したパルスにおいて偏光忠実度を0.5%向上する。

ABSTRACT

Diagnosing free electron laser (FEL) polarization is critical for polarization-modulated research such as x-ray free electron laser (XFEL) diffraction imaging and probing material magnetism. In an electron time-of-flight (eTOF)\ polarimeter, the flight time and angular distribution of photoelectrons were designed based on x-ray polarimetry for on-site diagnosis. However, the transverse position of x-ray FEL pulses introduces error into the measured photoelectron angular distribution. This work thus proposes a method to monitor the transverse position using an eTOF polarimeter and explains how to compensate for the error due to transverse position. A comprehensive numerical model is developed to demonstrate the feasibility of the compensation method, and the results reveal that a spatial resolution of 20 \(\mu\)m and a polarity improved by 0.5\% is possible with fully polarized FEL pulses. The impact of FEL\ pulses and a method to calibrate their linearity is also discussed.

研究の動機と目的

• XFEL eTOF偏光計測器における横方向ビーム位置のずれが引き起こす光電子角度分布の歪みを解消すること。
• 追加の計測器を設置せずに、同じeTOF偏光計測器ハードウェアを用いて現地で即時の1回撮影によるビーム位置モニタリングを可能にすること。
• ビームずれに起因する偏光診断誤差を補正するアルゴリズムの開発。
• ARPolar偏光計測器の包括的なモンテカルロ数値モデルを用いて、本手法の実現可能性を検証すること。
• 検出器の線形性をキャリブレーションし、光電子生成率およびFELパルス特性が測定精度に与える影響を評価すること。

提案手法

• マイクロチャネルプレート（MCP）検出器と磁気シールドを備えた16チャンネルeTOF偏光計測器を用い、光電子の角度分布を測定する。
• 双極子近似を用いてs軌道光電子の角度分布をモデル化する：$ p_s(\gamma) = A\{1 + P_l \cos[2(\gamma - \psi)]\} $、ここで$ P_l $は線形偏光度、$ \psi $は偏光角である。
• 四分円における電荷差から位置感度$ S_x $および$ S_y $を導出する：$ \Delta Q_x = (Q_1 + Q_4) - (Q_2 + Q_3) $、$ \hat{x} \approx \frac{1}{S_x} \eta_x + \delta_x $、ここで$ \eta_x = \Delta Q_x / \Sigma Q $である。
• 測定された電荷非対称性$ \eta_x $と入射ビーム位置$ \hat{x} $との関係をテイラー展開を用いて導出し、リアルタイムでの位置再構成を可能にする。
• GENESISに基づくSASE FELソースを用いた完全なモンテカルロシミュレーションにより、電子生成率、軌道、静電界内での収集効率をモデル化する。
• 再構成された位置を回転させ、補正された$ \hat{x}, \hat{y} $を用いて角度分布を再キャリブレーションすることで、対称性を回復させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 追加のビーム位置モニタを設置せずに、eTOF偏光計測器の光電子角度分布から横方向ビーム位置を正確に再構成できるか？
• RQ2 ビームずれがXFEL偏光計測において測定された偏光度および偏光角に及ぼす歪みの程度はどの程度か？
• RQ3 提案された補正手法により達成可能な空間分解能と偏光忠実度の向上はどの程度か？
• RQ4 FELパルスパラメータ（例：強度、スペクトル、パルス幅）および検出器の線形性が、位置および偏光再構成の精度に与える影響はいかほどか？
• RQ5 同じeTOF偏光計測器が、十分な精度で同時にビーム位置モニタリングと偏光診断を実行できるか？

主な発見

• 提案手法により、eTOF偏光計測器の既存の検出チャンネルを用いて1回撮影で横方向ビーム位置モニタリングが可能となり、別個のビーム位置モニタの設置が不要になる。
• 数値シミュレーションにより、完全に偏光したFEL条件下で20 µmのビーム位置再構成分解能が達成された。
• 位置補正により、偏光度測定誤差が0.5%低減され、診断の忠実度が顕著に向上した。
• 本手法は現実的なFEL条件下でも安定しており、上海SX-FEL（1.6 GeV、16 mmウインドレル周期）のスタート・トゥ・エンドSASE FELモデルに基づくシミュレーションで確認された。
• 検出器の線形性および光電子生成率は、位置および偏光測定の両方の精度を維持するため、慎重にキャリブレーションする必要があることがモデルで確認された。
• ビームずれが補正された際、補正アルゴリズムにより光電子の対称的分布が回復され、正確な偏光診断が可能になった。