[論文レビュー] Scheme for femtosecond-resolution pump-probe experiments at XFELs with two-color ten GW-level X-ray pulses

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2010

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 2被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、修正されたウンドゥレータ構成を用いて1つの電子ビームバッチから二色の10 GWレベルのX線パルスを生成する、XFELにおけるフェムト秒分解能のポンププローブ方式を提案している。1つのウンドゥレータセグメントを、ビームの半分を遅延させる磁場チカンに置き換えることで、異なる波長で、同期された高ピークパワーのX線パルスを、10 fs未塔の分解能とゼロのタイミングジッターを達成して同時に生成することが可能になる。

ABSTRACT

This paper describes a scheme for pump-probe experiments that can be performed at LCLS and at the European XFEL and determines what additional hardware development will be required to bring these experiments to fruition. It is proposed to derive both pump and probe pulses from the same electron bunch, but from different parts of the tunable-gap baseline undulator. This eliminates the need for synchronization and cancels jitter problems. The method has the further advantage to make a wide frequency range accessible at high peak-power and high repetition-rate. An important feature of the proposed scheme is that the hardware requirement is minimal. Our technique is based in essence on the "fresh" bunch technique. For its implementation it is sufficient to substitute a single undulator module with short magnetic delay line, i.e. a weak magnetic chicane, which delays the electron bunch with respect to the SASE pulse of half of the bunch length in the linear stage of amplification. This installation does not perturb the baseline mode of operation. We present a feasibility study and we make exemplifications with the parameters of the SASE2 line of the European XFEL.

研究の動機と目的

• 二色のX線パルスを用いて、XFELで10 fs未塔の時間分解能を達成するポンププローブ実験を可能にすること。
• X線ポンププローブ実験におけるポンプパルスとプローブパルスの正確な同期の課題を克服すること。
• 既存のビームダイナミクスおよびウンドゥレータインfraを活用することで、ハードウェアの改造を最小限に抑えること。
• 超高性能（10 GWレベル）と高繰り返し周波数を達成し、超高速ダイナミクスの時間分解研究を可能にすること。
• 装置の性能に悪影響を及げず、ベースラインのXFEL運用モードと互換性を持つこと。

提案手法

• 可変ギャップウンドゥレータを用いた2段階のFELプロセスにより、1つの電子ビームバッチからポンプパルスとプローブパルスを生成する。
• ビームの半分を約半分の長さだけ遅延させる短い磁場チカン（弱チカン）で、1つのウンドゥレータセグメントを置き換える。
• ビームの最初の半分はシーディングされ、最初のウンドゥレータセグメントで飽和まで増幅され、短い高パワーSASEパルスを生成する。
• ビームの2番目の半分は変調されず、3番目のセグメントで異なる波長でレーザー発振し、プローブパルスを生成する。
• 2番目の発振プロセスの高利得および高コherエンスを維持するために、フレッシュビーム技術を用いる。
• 磁場チカン内に設置されたX線ミラーを用いて、実験ステーションで空間的および角度的に分離することで、二色パルスを分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの電子ビームバッチが、フェムト秒の精度で時間的に異なる2つの高ピークパワーX線パルスを、異なる波長で生成可能か？
• RQ2 XFELベースのポンププローブ実験において、ポンプパルスとプローブパルスのタイミングジッターをどのようにして完全に排除できるか？
• RQ3 XFEL施設に二色フェムト秒X線源を実装するために、最小限のハードウェア改造が必要か？
• RQ4 提案された方式は、XFELの短パルスモードおよび長パルスモードの両方と互換性があるか？
• RQ5 二色X線パルスは、顕著な光子損失を伴わず、効率的に実験ステーションに分離・供給可能か？

主な発見

• 本手法により、1つの電子ビームバッチから二色の10 GWレベルのX線パルスを、10 fs未塔の時間分解能で生成可能である。
• ビームの半分を遅延させる1つの磁場チカンを用いることで、ポンプパルスとプローブパルスの間のタイミングジッターが完全に排除される。
• SASE2パrameters（17.5 GeV、0.025 nC、1.0 μmビーム長）を用いた実証により、短パルスモードでの実現可能性が示された。
• 本手法はベースライン運用との互換性を保ち、装置性能に悪影響を及げない。
• チカン内に設置されたX線ミラーを用いて、実験ステーションで数mmの空間的分離が達成され、光子損失は最小限に抑えられる。
• チカンの角度を2.5 mradに増加させること、または光学遅延ラインを用いることで、長パルスモード（60 fs）にも適用可能であり、線形領域での動作により、熱負荷は低く抑えられる。