[論文レビュー] Proposal for a scheme to generate 10 TW-level femtosecond x-ray pulses for imaging single protein molecules at the European XFEL

Svitozar Serkez, Vitali Kocharyan+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2013

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 12被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、自己シーディング、ウインドレーター傾斜化、およびエミッタンススプライヤーフォイルを用いた、欧州XFELへのコスト効率の高いアップグレードを提案する。これにより、3.5–4 keVで10 fs、50 mJのX線パルスを生成し、ピークパワーが最大10 TWに達する。これは「破壊前の回折」による近原子分解能の単一タンパク質分子像の撮影を可能にする。この方式は、ベースラインのSASE光源に比べてピークパワーが100倍に向上し、1 nCの電子ビームを用いたスタート・ツー・エンドのシミュレーションで検証された。

ABSTRACT

Single biomolecular imaging using XFEL radiation is an emerging method for protein structure determination using the "diffraction before destruction" method at near atomic resolution. Crucial parameters for such bio-imaging experiments are photon energy range, peak power, pulse duration, and transverse coherence. The largest diffraction signals are achieved at the longest wavelength that supports a given resolution, which should be better than 0.3 nm. We propose a configuration which combines self-seeding and undulator tapering techniques with the emittance-spoiler method in order to increase the XFEL output peak power and to shorten the pulse duration up to a level sufficient for performing bio-imaging of single protein molecules at the optimal photon energy range, i.e. around 4 keV. Experiments at the LCLS confirmed the feasibility of these three new techniques. Based on start-to-end simulations we demonstrate that self-seeding, combined with undulator tapering, allows one to achieve up to a 100-fold increase in peak-power. A slotted foil in the last bunch compressor is added for x-ray pulse duration control. Simulations indicate that one can achieve diffraction to the desired resolution with 50 mJ (corresponding to 1e14 photons) per 10 fs pulse at 3.5 keV photon energy in a 100 nm focus. This result is exemplified using the photosystem I membrane protein as a case study.

研究の動機と目的

• X線パルスのピークパワーと超短パルス長を十分に確保することで、欧州XFELにおける高分解能の単一バイオマolecule像の撮影を可能にすること。
• ベースラインのSASEウインドレーターでは、約50 GWで飽和してしまうが、これは単一タンパク質分子の最適な像の撮影に必要な10 TWに遠く及ばないという制限を克服すること。
• 大規模なインfra構造の変更なしに、既存の技術である自己シーディング、ウインドレーター傾斜化、エミッタンススプライヤーフォイルを用いたコスト効率の高いアップグレード経路を開発すること。
• ピークパワーを100倍に向上させるとともに、パルス長を10 fsまで制御し、3.5 keVで10 fsあたり10^14光子を達成すること。
• 現実的なシミュレーションモデルを用いて、サイズ10 nmのタンパク質（例：フィトシステムI）を0.3 nm分解能で像の撮影可能な可能性を検証すること。

提案手法

• 単一チカン構成の結晶モニタラに自己シーディングを実施し、帯域幅を狭め、スペクトル輝度を向上させる。
• ウインドレーターの傾斜化によりFELの利得を増加させ、ウインドレーターに沿って放射のコherent強化を実現し、出力ピークパワーを向上させる。
• 最終ビームコンプレッサー（BC3）の中心部にエミッタンススプライヤーフォイルを配置し、ほとんどの電子ビームでは横方向エミッタンスを意図的に増加させる一方で、一部の時間的スライス（中心部）は低エミッタンスを維持する。
• スロット付きフォイルがビームの内部でクーロン散乱を引き起こし、ここでのFEL利得を抑制するが、損傷のない中心スライスは短く高利得のX線パルスを生成する。
• チカン内の色分散がエネルギーチルプを横方向のビームチルトに変換し、損傷のないスライスをフォイル中心に正確に位置づける。
• 電子銃から最終X線パルスまでの全ビームラインをシミュレートするスタート・ツー・エンドのシミュレーションを実施。ビームダイナミクス、FEL利得、放射伝播を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存の技術を用いて、SASEベースのXFEL光源のピークパワーを最大100倍に向上させ、10 TWに達することができるか？
• RQ2 最小限のハードウェアアップグレード（特にエミッタンススプライヤーフォイル）で、欧州XFELで10 fs程度のフェムト秒X線パルスを生成できるか？
• RQ3 3.5 keVで10^14光子を10 fsあたりに達成し、100 nm焦点で、0.3 nm分解能での単一タンパク質分子像の撮影に十分な条件を満たすことができるか？
• RQ4 自己シーディングとウインドレーター傾斜化を併用することで、スペクトル輝度とピークパワーを向上させつつ、横方向コherenecの損なわれないか？
• RQ5 フィトシステムIのような単一バイオマoleculeの3次元再構築に十分な信号対雑音比を得るための必要な光子フラクチュエーションとパルス長は何か？

主な発見

• 自己シーディング、ウインドレーター傾斜化、エミッタンススプライヤーフォイルの組み合わせにより、ピークパワーが100倍に向上し、10 fsのX線パルスで最大10 TWに達する。
• 3.5 keVで50 mJ、10 fsのX線パルスに10^14光子を含めることで、0.3 nm分解能での像の撮影に必要な光子密度（約10^22 photons/mm²）を満たす。
• シミュレーションにより、3.5 keVで10^14光子を含む10 fsパルスが、フィトシステムIのような10 nmサイズのタンパク質の3次元構造決定に十分な回折信号を生成することが確認された。
• エミッタンススプライヤーフォイルにより、FEL相互作用領域における有効な電子ビーム長が短縮され、ウインドレーター線に追加のハードウェアを設置することなく、パルス圧縮を約10 fsに達成できる。
• 放射平均散乱強度プロファイルは、検出器の端縁まで1ピクセルあたり1光子を超える値を示しており、単発3次元再構築に十分な信号対雑音比があることが示された。
• この方式は、既存の欧州XFELインfraに完全に適合し、わずかな改変（単一チカン構成の自己シーディング、BC3内にスロット付きフォイルを設置）で実現可能であり、コスト効率の高いアップグレード経路である。