[論文レビュー] Self-seeded operation of the LCLS hard X-ray FEL in the long-bunch mode

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

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 5被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、LCLSのハードX線FELのロングバッチモード（0.25 nC）において、単一結晶モノクロメーターをブルゴー透過幾何学で用いた単一バッチ自己シーディング方式の実現可能性を示している。アンジュレータのウェークフィールドを考慮した結果、ウェークフィールドによって誘発される微小バッチングに起因する強い電流ヒューマップが存在するが、それでもピーク出力は約12 GW、パルス幅は15 fs、スペクトル帯域幅は3×10⁻⁵に達し、従来の二バッチ方式と同等の性能を示している。

ABSTRACT

Self-seeding options for the LCLS baseline were recently investigated using a scheme which relies on a single-crystal monochromator in Bragg-transmission geometry. The LCLS low-charge (0.02 nC) mode of operation was considered in order to demonstrate the feasibility of the proposed scheme. The wakefield effects from the linac and from the undulator vacuum chamber are much reduced at such low charge, and can be ignored. In this paper we extend our previous investigations to the case of the LCLS mode of operation with nominal charge. Based on the LCLS start-to-end simulation for an electron beam charge of 0.25 nC, and accounting for the wakefields from the undulator vacuum chamber we demonstrate that the same simplest self-seeding system (two undulators with a single-crystal monochromator in between) is appropriate not only for short (few femtosecond) bunches, but for longer bunches too.

研究の動機と目的

• LCLSにおける低電荷（0.02 nC）からノーマル電荷（0.25 nC）への自己シーディングの実現可能性を拡張すること。
• アンジュレータの抵抗性ウェークフィールドがロングバッチモードにおける自己シーディング性能に与える影響を調査すること。
• 強いウェークフィールド由来の電流ヒューマップが生じるにもかかわらず、単一アンジュレータ・システムに単一結晶モノクロメーターを用いたシンプルな構成が依然として有効であることを検証すること。
• ロングバッチ動作において、10⁻⁴未満の帯域幅と高いピークパワーを持つ単色出力を達成できることを示すこと。
• 従来の二バッチ自己シーディング方式と比較し、スペクトル的・時間的特性に同等の性能を示すことを確認すること。

提案手法

• 統計的分析のため70回のシミュレーションを実施した、並列マシン上でのGENESIS 1.3 FELコードを用いたエンドツーエンドのシミュレーションを実施。
• LCLSのベースラインアンジュレータ系をモデル化し、電子-光子遅延および横方向オフセットを生じる弱いチカン（R₅₆ ≈ 200 μm）を挟んで二つのアンジュレータ・セグメントを分離。
• アンジュレータ真空チャンバ内に抵抗性ウェークフィールドを組み込み、BANEシミュレーションを用いて周波数依存のビームパイプ導電率を含めたモデル化を実施。
• SASE放射をスペクトル的にフィルタリングし、狭帯域のシードを生成するために、0.1 mm厚のダイヤモンド（400）結晶をブルゴー透過幾何学で使用。
• SASEバックグラウンドを抑止し、さらにスペクトルを狭帯域化するために、後段のベースライン以降に厚さのあるSi(220)結晶をブルゴー反射幾何学で配置。
• 最初のアンジュレータを通過する間に、電子ビームのエネルギー変調および微小バッチングの進化を追跡し、電流ヒューマップがレーザー発振とシーディングを駆動することを確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低電荷モードで用いられた同じ自己シーディング方式を、LCLSのノーマル電荷（0.25 nC）のロングバッチモードに拡張可能か？
• RQ2 アンジュレータのウェークフィールドは、ロングバッチ動作における単一バッチ自己シーディング方式の性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ウェークフィールド由来の強い電流ヒューマップは、シーディング効率およびスペクトル純度を低下させるか、あるいは向上させるか？
• RQ4 出力特性（帯域幅、ピークパワー、パルス幅）が二バッチ自己シーディング方式と同等に達成可能か？
• RQ5 望ましいスペクトル特性を達成するために、厚い結晶モノクロメーターによる追加フィルタリングは必要かつ有効か？

主な発見

• アンジュレータ真空チャンバ内に顕著な抵抗性ウェークフィールドが存在するにもかかわらず、ロングバッチモード（0.25 nC）における自己シーディング方式は実現可能である。
• ビームエッジにおけるウェークフィールド由来の電流ヒューマップが最初のアンジュレータで強力なレーザー発振と飽和を引き起こし、堅牢なシーディング信号を生成する。
• システムは3×10⁻⁵のスペクトル帯域幅を達成しており、設計目標および従来の二バッチ方式と同等の性能を示している。
• 出力パルスはピークパワー約12 GW、半値全幅（FWHM）持続時間15 fsを達成している。
• Si(220)結晶によるベースライン以降のフィルタリングによりバックグラウンドが低減され、最終的なスペクトルの相対的帯域幅は5×10⁻⁵にまで狭くなった。
• スペクトル的および時間的特性において、単一バッチ自己シーディング方式の性能は二バッチ方式と同等であり、その有効性が検証された。