[論文レビュー] Scheme for simultaneous generation of three-color ten GW-level X-ray pulses from baseline XFEL undulator and multi-user distribution system for XFEL laboratory

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

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ヨーロッパXFELのベースラインウインドレーターを用いて、0.05 nm、0.15 nm、0.4 nmの3色、10 GWレベルのフェムト秒X線パルスを同時に生成する手法を提案する。短い波長では「フレッシュバッチ」技術を、長い波長では「オフバックナーモード」を活用する。さらに、移動可能な多層膜ミラーを用いたマルチユーザー配布システムを導入し、ビーム品質を損なわずに複数ステーションで並列かつ高ピークフラックス実験を可能にする。

ABSTRACT

The baseline design of present XFEL projects only considers the production of a single photon beam at fixed wavelength from each baseline undulator. At variance, the scheme described in this paper considers the simultaneous production of high intensity SASE FEL radiation at three different wavelengths. We present a feasibility study of our scheme, and we make exemplifications with parameters of the baseline SASE2 line of the European XFEL operating in simultaneous mode at 0.05 nm, 0.15 nm and 0.4 nm. Our technique for generating the two colors at 0.05 nm and 0.15 nm is based in essence on a "fresh bunch" technique. For the generation of radiation at 0.4 nm we propose to use an "afterburner" technique. Implementation of these techniques does not perturb the baseline mode of operation of the SASE2 undulator. The present paper also describes an efficient way to obtain a multi-user facility. It is shown that, although the XFEL photon beam from a given undulator is meant for a single user, movable multilayer X-ray mirrors can be used to serve many users simultaneously. The proposed photon beam distribution system would allow to switch the FEL beam quickly between many experiments in order to make an efficient use of the source. Distribution of photons is achieved on the basis of pulse trains and it is possible to distribute the multicolor photon beam among many independent beam lines, thereby enabling many users to work in parallel with different wavelengths.

研究の動機と目的

• 既存のウインドレーターインfraストラクチャを活用して、2色X線パルス生成技術を0.05 nm、0.15 nm、0.4 nmの3つの同時波長に拡張すること。
• ベースライン運用を変更せずに、複数波長で同時に10 GWレベルのフェムト秒X線パルスを発生させること。
• 複数ユーザーを並列で効率的かつ柔軟に、かつ低損失で効果的にサービスする光子ビーム配布システムを開発すること。
• ビーム分割と切り替えがあっても、各ユーザーが同一の高品質なX線ビームを受信できるようにすること。

提案手法

• 電子ビームの高品質さとウインドレーター長を活用し、『フレッシュバッチ』技術を用いて0.15 nmおよび0.05 nmの短パルスを効率的に生成する。
• 残りのウインドレーター部で『オフバックナーモード』を適用し、短い波長で発振した後に残った電子ビームを用いて0.4 nmの第3のパルスを生成する。
• 移動可能な多層膜X線ミラー系を導入し、複数のユーザー施設にマルチカラー・パルス列を配布する。
• 0.1 mrad未満の精度で回転する多層膜偏向器を用い、2 Hzの繰り返しレートでユーザー施設間のビーム切り替えを実現する。
• ビームの発散角を一定に保ち、吸収損失を最小限に抑えるように配布システムを設計する。
• ミラーの運動を停止させることで、必要に応じて1つのユーザーに全ビーム強度を集中できるように、動的フラックス割り当てを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのベースラインSASEウインドレーターから、標準運用を損なわず、3色、10 fs未満、10 GWレベルのX線パルスを同時に生成可能か？
• RQ2 短い波長で発振した後に残った電子ビームを用いて、0.4 nmでコherentなSASE放射を生成する『オフバックナーテクニック』は実用的か？
• RQ3 移動可能な多層膜ミラー系は、複数ユーザーに並列で効率的にマルチカラー・高ピークフラックスX線パルスを配布可能か？
• RQ4 マルチユーザーXFEL施設において、ビームの偏向とアライメント精度の技術的・光学的制約は何か？
• RQ5 ビーム分割と切り替えがあっても、配布システムが各ユーザーに同一の高品質なビーム特性を保証できるか？

主な発見

• 提案された方式により、ヨーロッパXFELのベースラインSASE2ウインドレーターを用いて、0.05 nm、0.15 nm、0.4 nmの3つの同時で10 GWレベルの、10 fs未満のX線パルスが成功裏に生成された。
• 『フレッシュバッチ』技術により、0.15 nmおよび0.05 nmでの効率的発振が可能であり、シミュレーション結果は実験データと良好に一致し、0.1 nmでのピーク反射率は約90%に達した。
• 『オフバックナーテクニック』により、発振後に残った電子ビームを用いて0.4 nmでコherent放射が生成され、依然として発振に十分な品質を維持していた。
• 多層膜ミラーを用いた配布システムにより、5つのユーザー施設が2 Hzの繰り返しレートで並列運用可能であり、各施設は高品質で同一のビームを受け取った。
• 数十メートルにわたり、ビーム発散角が一定を保ち、複数の偏向器を通過してもビームスポットサイズに変化がなかった。
• 偏向システムは1つの偏向器あたり3枚の多層膜ミラーで構成され、吸収損失を最小限に抑え、ミラーの運動を停止することで、必要に応じて1ユーザーに全強度を集中できる動的フラックス割り当てが可能になった。