[論文レビュー] Scheme for generation of fully-coherent, TW power level hard X-ray pulses from baseline undulators at the European X-ray FEL

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2010

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 3被引用数 25

ひとこと要約

本論文は、ヨーロッパXFELのベースラインSASE2ウンドレーターで、ウェークモノクロメーターとウンドレーターの傾斜を用いた段階的自己シーディング方式を提案し、0.15 nm波長の完全にコherentな、ピークパワーTWレベルのハードX線パルスを生成する。この手法により、LCLS比で3桁高いピーク輝度が達成され、単一バイオ分子像や非弾性散乱分野における画期的な応用が可能になる。

ABSTRACT

The most promising way to increase the output power of an X-ray FEL (XFEL) is by tapering the magnetic field of the undulator. Also, significant increase in power is achievable by starting the FEL process from a monochromatic seed rather than from noise. This report proposes to make use of a cascade self-seeding scheme with wake monochromators in a tunable-gap baseline undulator at the European XFEL to create a source capable of delivering coherent radiation of unprecedented characteristics at hard X-ray wavelengths. Compared with SASE X-ray FEL parameters, the radiation from the new source has three truly unique aspects: complete longitudinal and transverse coherence, and a peak brightness three orders of magnitude higher than what is presently available at LCLS. Additionally, the new source will generate hard X-ray beam at extraordinary peak (TW) and average (kW) power level. The proposed source can thus revolutionize fields like single biomolecule imaging, inelastic scattering and nuclear resonant scattering. The self-seeding scheme with the wake monochromator is extremely compact, and takes almost no cost and time to be implemented. The upgrade proposed in this paper could take place during the commissioning stage of the European XFEL, opening a vast new range of applications from the very beginning of operations. We present feasibility study and examplifications for the SASE2 line of the European XFEL.

研究の動機と目的

• 単一バイオ分子像などの先進的応用のため、X線FELにおけるより高い光子フラックスと完全な縦方向コherー二ンスの必要性に対応する。
• スペクトル純度とピーク輝度が限界に達するSASE FELの限界を克服する。
• 画期的なピーク（TW）および平均（kW）パワー水準で、ハードX線波長（0.15 nm）における高輝度で完全にコherentなX線パルスを実現する。
• 高い反射率と広い角度受容性を持つ結晶デフォルターを用いて、効率的かつ迅速なビーム分配を可能にし、マルチユーザー運用を促進する。
• 運転開始初日から高輝度でコherentな放射を提供できるよう、コンmissioning段階でヨーロッパXFELをアップグレードする。

提案手法

• 最初のウンドレーター部の出力でSASE放射をモノクロメートライズするため、ウェークモノクロメーターを用いた段階的自己シーディング方式を実装する。
• ヨーロッパXFELのSASE2ラインに、ギャップを調整可能な42セルのベースラインウンドレーターを用い、ウンドレーター長さに沿って磁場を効率的に傾斜化できるようにする。
• 電子エネルギーの低下に伴い共鳴を維持することで出力パワーを増加させ、ポンドレティブトラップによる放射場の増幅を促進するため、ウンドレーター傾斜を適用する。
• 自己シーディングとウンドレーター傾斜を組み合わせることで、フーリエ変換限界に近い放射帯域幅を達成し、完全な縦方向コherー二ンスを実現する。
• 全放射パルスを約99%の反射率と広い角度受容性で効率的に偏光・指向制御できるよう、ブラッグ反射幾何学の結晶を用いたマルチユーザー用ビーム分配システムを設計する。
• コンactなベースライン設計と互換性を持たせるために、小型で低コストのウェークモノクロメーターを用い、最小限の改造で実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ウェークモノクロメーターとウンドレーター傾斜を用いた自己シーディング方式は、ヨーロッパXFELで完全にコherentでTWレベルのハードX線パルスを生成できるか？
• RQ2 ギャップを調整可能なウンドレーターで自己シーディングとウンドレーター傾斜を組み合わせた場合、達成可能なピーク輝度とスペクトル純度はどの程度か？
• RQ3 高輝度で完全にコherentなX線パルスを用いたマルチユーザーXFEL施設を、どのように効率的に運用できるか？
• RQ4 標準的なSASE FELと比較して、この自己シーディング方式は縦方向コherー二ンスとスペクトル帯域幅をどの程度改善するか？
• RQ5 このアップグレードは、ベースライン運用に支障をきたさずにコンmissioning段階で実装可能か？

主な発見

• 提案された方式は、0.15 nm波長で2×10¹²個の光子/パルスを有する完全にコherentな5 fs-FWHM X線パルスを生成し、画期的なピーク輝度を達成する。
• ピーク輝度は最大10³⁷ ph/s/mm²/mrad²/0.1% BWに達し、現在のLCLS性能比で3桁高い。
• 0.25 nCのビームチャージ条件下で平均輝度は最大10²⁸ ph/s/mm²/mrad²/0.1% BWに達し、高スループットのマルチユーザー運用を可能にする。
• ウェークモノクロメーターを用いた自己シーディング方式により、放射帯域幅がフーリエ変換限界に近づき、完全な縦方向コherー二ンスが保証される。
• ウンドレーター出口における電子エネルギー分散は約2%であり、傾斜化の過程でポンドレティブウェル内での効果的な捕獲と減速が実現されている。
• ブラッグ結晶デフォルターを用いたビーム分配システムは、全パルスを約99%の反射率と広い角度受容性で処理でき、複数の実験間での迅速な切り替えが可能になる。