[論文レビュー] Optimization of a dedicated bio-imaging beamline at the European X-ray FEL

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2012

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 13被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、欧州X線自由電子レーザー（European XFEL）における自己シーディングと単結晶モノクロメーター、およびアンジュレータのテーパリングを用いた最適化された専用バイオイメージングビームラインを提案し、3–5 keV範囲で2 TWのピークパワーを達成する。17.5 GeVの電子エネルギーで動作させることで、他のビームラインへの干渉を最小限に抑えつつ、高い性能を発揮するが、モノクロメーターに起因する空間的・時間的結合は、最適なダイヤモンド結晶面（C(111)、C(220)、C(400)）を用いることで抑制される。

ABSTRACT

We recently proposed a basic concept for design and layout of the undulator source for a dedicated bio-imaging beamline at the European XFEL. The goal of the optimized scheme proposed here is to enable experimental simplification and performance improvement. The core of the scheme is composed by soft and hard X-ray self-seeding setups. Based on the use of an improved design for both monochromators it is possible to increase the design electron energy up to 17.5 GeV in photon energy range between 2 keV and 13 keV, which is the most preferable for life science experiments. An advantage of operating at such high electron energy is the increase of the X-ray output peak power. Another advantage is that 17.5 GeV is the preferred operation energy for SASE1 and SASE2 beamline users. Since it will be necessary to run all the XFEL lines at the same electron energy, this choice will reduce the interference with other undulator lines and increase the total amount of scheduled beam time. In this work we also propose a study of the performance of the self-seeding scheme accounting for spatiotemporal coupling caused by the use of a single crystal monochromator. Our analysis indicates that this distortion is easily suppressed by the right choice of diamond crystal planes and that the proposed undulator source yields about the same performance as in the case for a X-ray seed pulse with no coupling. Simulations show that the FEL power reaches 2 TW in the 3 keV - 5 keV photon energy range, which is the most preferable for single biomolecule imaging.

研究の動機と目的

• 単一バイオ分子イメージングに最適な3–5 keV範囲で、広い光子エネルギー範囲（0.3–13 keV）にわたる超短パルスで高ピークパワーX線パルスを提供する、欧州XFELにおける専用バイオイメージングビームラインを設計すること。
• ベースラインのSASE1およびSASE2ビームラインでは、3–5 keV範囲でTWレベルのパルスを効率的に生成できないという制限を克服するため、性能が向上した新しいアンジュレータ光源を導入すること。
• 自己シーディングと単結晶モノクロメーターの採用、および結晶の最適な向きの選定により、空間的・時間的結合を抑制することで、実験の簡素化と性能向上を図ること。
• ビームラインの電子エネルギー（17.5 GeV）をSASE1およびSASE2ビームラインの好適な運用エネルギーと一致させ、干渉を最小限に抑え、共有ビームタイムを最大化すること。
• C(111)、C(220)、C(400)の調整されたダイヤモンド結晶反射を用いて、3 keVまで自己シーディング方式を低エネルギー側に拡張し、スペクトル純度と時間的コherーランスを維持すること。

提案手法

• 最終アンジュレータがテーパリングされ、FELの増幅利得と出力パワーを向上させる4アンジュレータ構成に、3つの磁気チルト（magnetic chicanes）を組み合わせた構成を採用する。
• 自己シーディングは、主にC(111)、C(220)、C(400)のダイヤモンド単結晶モノクロメーターを用い、3–9 keV範囲を高スペクトル選択性でカバーする。
• 空間的・時間的結合を最小限に抑えるために、バックスキャッタリングに近いブレッグ角（θB ≈ π/2）を選択し、cot(θB)に比例する空間的シフトを低減する。
• ソフトX線自己シーディング装置の後段に、新規バッチ技術（fresh bunch technique）を適用し、3–5 keV範囲でのパルス幅を2–10 fsに圧縮し、ピークパワーを増幅する。
• 高エネルギー領域における大きなcot(θB)の問題を克服するため、C(111)モノクロメーターと併用して高調波生成技術を用い、9–13 keV範囲のカバーを実現する。
• 電子ビームダイナミクス、FEL増幅、波面歪みを含むビームライン全体をモデル化するため、スタート・ツー・エンドのシミュレーションを実施し、現実的な性能予測を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高スペクトル純度と最小限の空間的・時間的結合を維持しながら、自己シーディング方式を3 keVまで低エネルギー側に拡張可能か？
• RQ2 3–5 keV範囲でのピークパワーを、単一バイオ分子イメージングに必要なTWレベルに最大化する方法は何か？
• RQ3 SASE1およびSASE2ビームラインと両立し、高い性能を発揮する最適な電子エネルギーは何か？
• RQ4 結晶の向きおよび幾何学的選定によって、モノクロメーターに起因する空間的・時間的結合はどの程度抑制可能か？
• RQ5 高調波生成と最適化された結晶反射を用いることで、自己シーディング方式を9–13 keV範囲、特にSe K-edgeにまで拡張可能か？

主な発見

• 最適化されたビームラインは、3–5 keVの光子エネルギー範囲で2 TWのピークパワーを達成し、これは単一バイオ分子イメージングに最適な範囲である。
• 17.5 GeVの電子エネルギーで運用することで、SASE1およびSASE2ビームラインと完全に互換性が保たれ、干渉が低減され、合計のスケジュールビームタイムが増加する。
• C(111)、C(220)、C(400)のダイヤモンド結晶反射を用いることで、3–9 keV範囲を高スペクトル分解能と最小限の歪みでカバー可能である。
• ブレッグ角をバックスキャッタリングに近づける（θB ≈ π/2）ことで、モノクロメーターに起因する空間的・時間的結合が効果的に抑制され、cot(θB)に比例する空間的シフトが低減される。
• 9–13 keV範囲は、C(111)モノクロメーターと高調波生成技術を組み合わせることでカバー可能となり、高エネルギー領域における大きなcot(θB)の課題を克服した。
• スタート・ツー・エンドのシミュレーションにより、結合効果を含むビームライン性能が、結合なしの理想状態とほとんど同一であることが確認され、設計の頑健性が裏付けられた。