[論文レビュー] Proposal to generate 10 TW level femtosecond x-ray pulses from a baseline undulator in conventional SASE regime at the European XFEL

Svitozar Serkez, Vitali Kocharyan+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2013

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、基準SASE3ウインドレーターにハードウェア改造なしで、超高出力ピーク電流（45 kA）を活用することで、ヨーロッパXFELにおいて10 TWレベル、3 fs長のX線パルスを生成する手法を提案している。0.25 nCの電子ビームを圧縮し、ウインドレーターの傾斜を適用することで、ピークパワーが100倍に増加し、SASE領域で最大5 TWに達する。3–5 keVの光子エネルギーにおける単一バイオ分子像の撮影に適した1%の放射帯域幅を達成した。

ABSTRACT

Output characteristics of the European XFEL have been previously studied assuming an operation point at 5 kA peak current. In this paper we explore the possibility to go well beyond such nominal peak current level. In order to illustrate the potential of the European XFEL accelerator complex we consider a bunch with 0.25 nC charge, compressed up to a peak current of 45 kA. An advantage of operating at such high peak current is the increase of the x-ray output peak power without any modification to the baseline design. Based on start-to-end simulations, we demonstrate that such high peak current, combined with undulator tapering, allows one to achieve up to a 100-fold increase in a peak power in the conventional SASE regime, compared to the nominal mode of operation. In particular, we find that 10 TW-power level, femtosecond x-ray pulses can be generated in the photon energy range between 3 keV and 5 keV, which is optimal for single biomolecule imaging. Our simulations are based on the exploitation of all the 21 cells foreseen for the SASE3 undulator beamline, and indicate that one can achieve diffraction to the desired resolution with 15 mJ (corresponding to about 3e13 photons) in pulses of about 3 fs, in the case of a 100 nm focus at the photon energy of 3.5 keV.

研究の動機と目的

• ヨーロッパXFEL加速器コンプレックスが、ハードウェア改造なしに、特にピーク電流を上回る運用パラメータを達成できる可能性を探ること。
• 「破壊前の回折」法を用いた単一バイオ分子像の撮影に必要な十分なX線ピークパワー（10 TW）を達成する課題に対処すること。
• 高ピーク電流運転とウインドレーター傾斜を組み合わせることで、従来のSASE領域におけるSASE出力パワーが著しく向上するかどうかを検証すること。
• 構造生物学の応用に適した十分な光子フラーレンスと適切な帯域幅を持つフェムト秒X線パルスを生成可能かどうかを評価すること。
• 得られる1%の放射帯域幅が、スペクトル純度が必須でない応用（例：バイオ分子像の撮影）においても許容可能かどうかを評価すること。

提案手法

• リニアックからSASE3ウインドレーターに至る電子ビームダイナミクスを、空間電荷、RFウェークフィールド、コherentシンクロトロン放射（CSR）効果を含めて、スタート・ツー・エンドのシミュレーションでモデル化した。
• 0.25 nCの電子ビームを45 kAのピーク電流に圧縮し、正規化スライスエミッタンスを約4 μmに最適化した。
• 電子エネルギーがFEL相互作用中に低下するのを補償するため、21個のウインドレーター素子のうち12個で離散的なギャップ調整を用いてウインドレーター傾斜を適用した。
• 2段階構成のウインドレーターを採用：最初の9セルは一様磁場でSASE飽和（約0.5 TWに達成）を実現、その後の12セルを傾斜させることで出力パワーを約5 TWまで増幅した。
• 安定性と出力パワー、スペクトル、エネルギー変動を評価するため、100回のシングルショット実現の統計的平均を用いた。
• 焦点性と実験的有用性を評価するため、放射パルスエネルギー分布と方位角広がりを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヨーロッパXFELは、ベースライン設計を超えるハードウェア追加なしに、従来のSASE領域で10 TWレベルのX線パルスを生成可能か？
• RQ2 超高ピーク電流電子ビームと組み合わせたウインドレーター傾斜が、SASE出力パワーをどの程度向上できるか？
• RQ3 高ピーク電流に起因する大きなエネルギーチルプ（エネルギー歪み）が放射帯域幅に与える影響は何か？ また、バイオ分子像の撮影用途においても許容可能か？
• RQ4 スライスエミッタンスとエネルギー散乱が増加する状況下でも、45 kAのピーク電流で運用した際、SASE飽和長が実用的範囲内に保たれるか？
• RQ5 得られる1%の放射帯域幅は、モノクロマタイザーを用いない高コントラストの単一バイオ分子回折像の撮影に十分か？

主な発見

• 電子ビームピーク電流を45 kAまで引き上げることで、従来のSASE領域でピークパワーが100倍に増加し、最大5 TWの出力パワーが達成可能である。
• 高ピーク電流のため、わずか9個のウインドレーター素子でSASE飽和が約0.5 TWに達成され、スライスエミッタンスが約4 μmであっても可能である。
• 最後の12セルにウインドレーター傾斜を適用することで、出力パワーが0.5 TWから約5 TWに増幅され、ハードウェアアップグレードなしに顕著な増幅効果が確認された。
• 電子ビームの大きなエネルギーチルプに起因し、放射帯域幅は約1%に達したが、これはスペクトル純度が必須でない応用（例：単一バイオ分子像の撮影）において許容可能である。
• 3.5 keVの光子エネルギーで3 fsのパルスに、15 mJのパルスエネルギー（約3×10¹³光子）を生成可能であり、100 nmの焦点で原子分解能を達成するのに適している。
• 提案手法により、SASE飽和が9個のウインドレーター素子の安全な範囲内に保たれた。これは、増加した縦方向の速度スプレッドとエミッタンスを伴う高ピーク電流運転の実現可能性を裏付けた。