[論文レビュー] Scheme for generation of highly monochromatic X-rays from a baseline XFEL undulator

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2010

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 7被引用数 24

ひとこと要約

この論文では、ベースラインXFELアンプレータの短い磁気チカン内に結晶モニクロメーターを用いたダブルバッチ自己シーディング方式を提案し、長大な電子ビーム迂回路を必要とせずに、非常に単色性の高いX線を生成する。パルス倍増技術を活用することで、スペクトル帯域幅を10⁻⁵まで狭めることができ、ピーク輝度は5×10³⁵ ph/s/mm²/mrad²/0.1% BWに達し、これはベースラインXFEL性能を2桁上回る。また、施設の標準運用モードを維持する。

ABSTRACT

One goal of XFEL facilities is the production of narrow bandwidth X-ray radiation. The self-seeding scheme was proposed to obtain a bandwidth narrower than that achievable with conventional X-ray SASE FELs. A self-seeded FEL is composed of two undulators separated by a monochromator and an electron beam bypass that must compensate for the path delay of X-rays in the monochromator. This leads to a long bypass, with a length in the order of 40-60 m, which requires modifications of the baseline undulator configuration. As an attempt to get around this obstacle, together with a study of the self-seeding scheme for the European XFEL, here we propose a novel technique based on a pulse doubler concept. Using a crystal monochromator installed within a short magnetic chicane in the baseline undulator, it is possible to decrease the bandwidth of the radiation well beyond the XFEL design down to 10^(-5). The magnetic chicane can be installed without any perturbation of the XFEL focusing structure, and does not interfere with 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

• 40–60 mの電子ビーム迂回路を必要とするため、従来の自己シーディングがベースラインXFELアンプレータ設計と互換性がない問題を克服すること。
• XFEL施設の標準運用モードを損なわず、高単色性X線を生成できること。
• 長大な迂回路を回避しながらも、スペクトル純度を維持できる単一バッチ自己シーディングの実用的代替策を開発すること。
• 新バッチ技術を用いて、短パルス（6 fs）および長パルス（60 fs）モードの両方で適用可能であることを示すこと。
• 10⁻⁵未満のスペクトル帯域幅と、5×10³⁵ ph/s/mm²/mrad²/0.1% BWを超えるピーク輝度を達成すること。

提案手法

• 2つのバッチを用いた自己シーディング方式を導入し、最初の電子バッチからの放射が2番目のバッチをシードすることで、長大な電子ビーム迂回路の必要性を排除する。
• ベースラインアンプレータ内に短い磁気チカンを設け、そこに結晶モニクロメーターを配置することで、X線に制御された遅延を導入する。
• 磁気チカンが約1 cmの経路遅延を提供し、電子ビームの分散と相殺されることで、40–60 mの迂回路を不要にする。
• スペクトル選別性を高め、熱負荷を管理するために、4回反射型Si(444)結晶モニクロメーターを用いる。
• 新バッチ技術と併用可能であり、短パルスおよび長パルスモードでの運用が可能である。
• SASE2ラインのパラメータ（電子ビームエネルギー、アンプレータ長、結晶反射率など）を用いて、実現可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 40–60 mの電子ビーム迂回路を必要とせずに、ベースラインXFELアンプレータに自己シーディング方式を実装できるか？
• RQ2 短い磁気チカン内に結晶モニクロメーターを統合することで、10⁻⁵未満のスペクトル帯域幅を達成できるか？
• RQ3 長パルスおよび短パルスモードで、新バッチ技術と組み合わせたダブルバッチ自己シーディングを用いた場合、得られる最大輝度とスペクトル純度はどの程度か？
• RQ4 提案手法がベースラインXFEL運用と完全に互換性を持ちつつ、高単色性X線の生成を可能にするか？
• RQ5 高平均出力X線ビームラインで、厚さがあり吸収性の高い結晶モニクロメーターを用いる際の熱的および光学的制約は何か？

主な発見

• ダブルバッチ自己シーディング方式により、10⁻⁵未満という非常に狭いスペクトル帯域幅が実現可能であり、これはベースラインXFEL設計を著しく下回る。
• ピーク輝度は5×10³⁵ ph/s/mm²/mrad²/0.1% BWに達し、これはベースラインXFEL性能を2桁上回る。
• 40–60 mの電子ビーム迂回路を不要とし、ベースラインアンプレータ構成を維持できるため、即時の実装が可能である。
• 4回反射型Si(444)結晶モニクロメーターは、不要な帯域外放射を低減し、熱負荷を管理可能であり、吸収されたパワー密度は約100 W/mm²である。
• 短パルス（6 fs）および長パルス（60 fs）モードの両方と、コンmissioning段階での新バッチ技術と併用可能である。
• 詳細なシミュレーションにより、SASE2ラインのEuropean XFELにおける実現可能性が示され、安定した増幅とスペクトルの狭まりが確認された。