[論文レビュー] Production of transform-limited X-ray pulses through self-seeding at the European X-ray FEL

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2011

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 3被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、ヨーロッパX線FELにおいて単結晶自己自己シーディング方式を提案し、ブラッグ幾何学におけるダイヤモンド結晶モニタマトライザーを用いて、2番目のウンドュレータをシードすることで、近似的にフォーリエ制限帯域幅を持つ変換制限X線パルスを生成する。現実的な電子ビームパラメータとウェイクフィールド効果を含むスタート・トゥ・エンドシミュレーションにより、自己自己シーディングとウンドュレータのテーパリングを組み合わせることで、最大400 GWの出力ピークパワーが達成され、0.15 nmの波長で7 fs FWHM持続時間、1パルスあたり2×10¹²光子の0.4 TWレベルのパルスが得られることが示された。

ABSTRACT

An important goal for any advanced X-ray FEL is an option for providing Fourier-limited X-ray pulses. In this way, no monochromator is needed in the experimental hall. Self-seeding is a promising approach to significantly narrow the SASE bandwidth to produce nearly transform-limited pulses. These are important for many experiments including 3D diffraction imaging. We discuss the implementation of a single-crystal self-seeding scheme in the hard X-ray lines of the European XFEL. For this facility, transform-limited pulses are particularly valuable since they naturally support the extraction of more FEL power than at saturation by exploiting tapering in the tunable-gap baseline undulators. Tapering consists of a stepwise change of the undulator gap from segment to segment. Based on start-to-end simulations dealing with the up-to-date parameters of the European XFEL, we show that the FEL power reaches about 400 GW, or one order of magnitude higher power than the SASE saturation level (20 GW). This analysis indicates that our self-seeding scheme is not significantly affected by non-ideal electron phase-space distribution, and yields about the same performance as in the case for an electron beam with ideal parameters. The self-seeding scheme with a single crystal monochromator is extremely compact (about 5 m long), and cost estimations are low enough to consider adding it to the European XFEL capabilities from the very beginning of the operation phase.

研究の動機と目的

• ヨーロッパXFELにおける変換制限X線パルスの生成を可能にし、実験ホールでのモニタマトライザーの必要性を排除すること。
• 従来のSASE FELにおける限られた縦方向コherー二ンスが、3次元回折イメージングなどの応用を制限する問題に対処すること。
• 非理想的な電子ビーム位相空間分布に対して、単結晶モニタマトライザーを用いた自己自己シーディングがどれほど頑健であるかを示すこと。
• ベースラインの可変ギャップウンドュレータに自己自己シーディングとウンドュレータテーパリングを組み合わせることで、TWレベルのピークパワー出力を達成すること。
• 現実的な電子ビームパラメータとウェイクフィールド効果を含むスタート・トゥ・エンドシミュレーションを用いて、自己自己シーディング方式の実現可能性を検証すること。

提案手法

• 最初のウンドュレータからのSASE放射をモノクロマチゼーションするために、C(400)ダイヤモンド結晶をブラッグ幾何学に配置した単結晶自己自己シーディング方式を実装する。
• 4ドーピーループを用いたチカンバイパスにより、電子ビームとシードパルスを再結合させ、マイクロバンチングを破壊することで干渉を防ぐ。
• シードパルスが2番目のウンドュレータをコherently駆動し、傾斜磁場プロファイルを用いて飽和まで増幅される。
• スライスエミッタンス<0.25 μm、エネルギー分散、ウンドュレータウェイクフィールドを含む現実的な電子ビームパラメータを用いたスタート・トゥ・エンドシミュレーションを実施する。
• 出力ウンドュレータの最後の6セルにテーパリングを適用し、エネルギー効率を最大化し、スペクトル純度を維持するための経験的に最適化された法則を用いる。
• 時間帯域幅積を評価して変換制限の特性を確認し、Δt·Δω ≈ 8.0がフォーリエ制限に近いパルスであることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的な電子ビーム条件下で、ヨーロッパXFELにおける単結晶自己自己シーディング方式が変換制限X線パルスを生成できるか。
• RQ2 非理想的な電子ビーム位相空間分布とウェイクフィールドを含むシミュレーションにおいて、自己自己シーディングの性能はどの程度低下するか。
• RQ3 ウンドュレータテーパリングは、SASE飽和レベルを上回る自己自己シーディングX線パルスのピークパワーをどの程度向上できるか。
• RQ4 電子ビームパラメータ（エネルギー、ウンドュレータ長）が理想化モデルと比較して低下した場合でも、自己自己シーディング方式は十分に高い性能を維持できるか。
• RQ5 自己自己シーディングとテーパリングの組み合わせにより、ベースライン施設構成への最小限の変更でTWレベルのX線パルスを達成できるか。

主な発見

• 非理想的なビーム条件であっても、理想ビームと同等の性能を維持するため、自己自己シーディング方式は非理想的なビーム状態に対して頑健であることが示された。
• 最終出力ピークパワーは400 GW、すなわち0.4 TWに達し、SASE飽和レベルの20 GWと比較して約1桁高い。
• 0.15 nmの波長で、FWHM持続時間が7 fs、1パルスあたり2×10¹²光子の変換制限X線パルスが達成された。
• 時間帯域幅積Δt·Δω ≈ 8.0が確認され、パルスがほぼ変換制限であることが裏付けられ、高精度実験に不可欠である。
• スライスエミッタンスの低減による性能向上が、低い電子エネルギーと短いウンドュレータ長による悪影響を相殺し、高い効率を維持した。
• 約5 mの小型自己自己シーディング装置と低コストであるため、ヨーロッパXFELの運用開始当初からの統合が現実可能である。