[論文レビュー] Scientific Opportunities with an X-ray Free-Electron Laser Oscillator

Bernhard W. Adams, G. Aeppli+48 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 8被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、meVスケールのスペクトル分解能とピコ秒時間スケールのパuls持続時間を持つ完全にコherentで帯域幅が狭いX線パルスを提供する新しいX線自由電子レーザー発振器（XFELO）を提案する。低利得でキャビティを用いた増幅方式にダイヤモンド・ブレグ鏡を採用することで、XFELOはSASE FELと比較してスペクトル輝度が3桁高い性能を達成し、高精度分光法および量子物質研究の分野に新たな可能性をもたらす。

ABSTRACT

An X-ray free-electron laser oscillator (XFELO) is a new type of hard X-ray source that would produce fully coherent pulses with meV bandwidth and stable intensity. The XFELO complements existing sources based on self-amplified spontaneous emission (SASE) from high-gain X-ray free-electron lasers (XFEL) that produce ultra-short pulses with broad-band chaotic spectra. This report is based on discussions of scientific opportunities enabled by an XFELO during a workshop held at SLAC on June 29 - July 1, 2016

研究の動機と目的

• 既存のSASEベースのX線FELとは補完的役割を果たすXFELOの科学的潜在的可能性を探索すること。
• SASE FELの欠点（スペクトルの混沌、強度の揺らぎ）を解消し、完全にコherentでスペクトル的に安定したX線パルスを実現すること。
• XFELOが同等の繰り返し周波数下でSASE FELと比較してスペクトル輝度を3桁高められることを実証すること。
• 高スペクトルおよび時間的コherenceを要する、量子物質、モースバウアー分光法、超高速ダイナミクスの分野における新規実験を可能にすること。
• SLACで開催されたワークショップ（2016年）およびビームダイナミクス・結晶光学分野における最近の進展に基づき、技術的実現可能性と科学的インパクトのロードマップを策定すること。

提案手法

• 高反射率のダイヤモンド結晶ブレッグミラーによって形成される共振キャビティ内でX線パルスを循環させる低利得・キャビティ型増幅方式を採用する。
• 超伝導電子線形加速器（例：8 GeV、1 MHz）を用い、電子ビームをウンドゥレータで逐次的にキャビティ内X線パルスを増幅させる。
• ブレッグ角および結晶位置の調整によりキャビティ往復時間の安定化を図り、約5%の範囲で連続的な光子エネルギー調整を可能にする。
• 14.4 keVでスペクトル幅を約3 meV（FWHM）まで狭め、約680 fs（FWHM）の変換制限パルス持続時間に近づける。
• 出力パルスの高いスペクトル輝度（最大2.6×10²⁸ ph/(s mm² mrad² 0.1% BW)）および完全な横方向および時間的コherenceを活用する。
• 既存のXFEL施設（例：LCLS-II-HE、European XFEL）にXFELOを分岐として統合し、科学的範囲を拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 XFELOは、SASE FELのスペクトル的非コherenctおよび強度の揺らぎをどのように克服し、高精度分光法を可能にするか？
• RQ2 完全にコherentで、スペクトル幅がmeVスケール、時間的に安定なXFELOパルスが、どのような科学的実験を可能にするか？
• RQ3 XFELOのスペクトル輝度はSASE FELをどの程度上回ることができ、高スペクトルフラックスを要する実験にどのような影響を及えるか？
• RQ4 特に高キャビティ内パワー下でのダイヤモンド結晶の耐久性を考慮した場合、XFELO実現に必要な技術的要件と実現可能性の閾値は何か？
• RQ5 XFELOは既存のXFEL施設にどのように統合され、SASE運転と共存しながら科学的能力を拡張できるか？

主な発見

• 14.4 keVで、XFELOは1パルスあたり約1×10¹⁰個の光子を発生させ、スペクトル帯域幅は3 meV（FWHM）であり、平均スペクトルフラックスは約3×10¹⁵ photons/sec/meVに達する。
• XFELOの平均スペクトル輝度は2.6×10²⁸ ph/(s mm² mrad² 0.1% BW)に達し、同じ繰り返し周波数下でSASE FELと比較して3桁高い。
• XFELOのピークスペクトル輝度は3.8×10³⁴ ph/(s mm² mrad² 0.1% BW)に達し、ピーク光子数が少ないにもかかわらず、SASEを1桁上回る。
• XFELOパルス持続時間は約680 fs（FWHM）であり、変換制限で時間的コherentなパルスであり、スペクトルのピークが最小限に抑えられている。
• XFELOのスペクトル分解能（3 meV）は、第3世代シンチロトロンのそれと比較して4桁狭く、高分解能でのモースバウアー共鳴にアクセス可能である。
• 最近の実験により、ダイヤモンド結晶が高キャビティ内X線パワー密度に耐えうることが実証され、XFELO実現に向けた主要な技術的障壁が克服された。