[論文レビュー] Self-seeding scheme for the soft X-ray line at the European XFEL

Gianluca Geloni, V. Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2012

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ヨーロッパXFELにおけるソフトX線領域での縦方向コherエンスを向上させるために、グレーティングモノクロメーターと磁気チカインを用いたコンactな自己シーディング方式を提案する。変換制限された狭帯域放射を2番目のウンドュレータにシードすることで、サチュレーション後のテーパリングが可能となり、ピーク出力が最大800 GWに達する——SASEサチュレーションの10倍に相当——一方で相対的スペクトル帯域幅は10⁻³未満を維持する。

ABSTRACT

This paper discusses the potential for enhancing the capabilities of the European FEL in the soft X-ray regime. A high longitudinal coherence will be the key to such performance upgrade. In order to reach this goal we study a very compact soft X-ray self-seeding scheme originally designed at SLAC [1,2]. The scheme is based on a grating monochromator, and can be straightforwardly installed in the SASE3 undulator beamline at the European XFEL. For the European XFEL fully-coherent soft X-ray pulses are particularly valuable since they naturally support the extraction of more FEL power than at saturation by exploiting tapering in the tunable-gap SASE3 undulator. Tapering consists of a stepwise change of the undulator gap from segment to segment. Based on start-to-end simulations we show that soft X-ray FEL power reaches about 800 GW, that is about an order of magnitude higher than the SASE level at saturation (100 GW). The self-seeding setup studied in this work is extremely compact (about 5 m long), and cost-effective. This last characteristic may justify to consider it as a possible addition to the European XFEL capabilities from the very beginning of the operation phase. [1] Y. Feng, J. Hastings, P. Heimann, M. Rowen, J. Krzywinski, and J. Wu, "X-ray Optics for soft X-ray self-seeding the LCLS-II", proceedings of 2010 FEL conference, Malmo, Sweden, (2010). [2] Y. Feng, P. Heimann, J. Wu, J. Krzywinski, M. Rowen, and J. Hastings, "Compact Grating Monochromator Design for LCLS-I Soft X-ray Self-Seeding", https://slacportal.slac.stanford.edu/sites/lcls_public/lcls_ii/Lists/LCLS_II_Calendar/Physics_Meetings.aspx, May 2011 and https://sites.google.com/a/lbl.gov/realizing-the-potential-of-seeded-fels-in-the-soft-x-ray-regime-workshop/talks, October 2011

研究の動機と目的

• ヨーロッパXFELにおけるソフトX線FEL出力の縦方向コヒーレンスを向上させること。これは、完全にコヒーレントでフーリエ制限されたパルスを必要とする高度な実験にとって不可欠である。
• SASE FELが高横方向コヒーレンスを示す一方で縦方向コヒーレンスが限定的であるという限界を是正すること。
• 単色化されたシードとウンドュレータテーパリングを用いることで、SASEサチュレーションを超える顕著な出力増幅を実現すること。
• SASE3ウンドュレータビームラインの実用的でコンパクトかつコスト効果的なアップグレードを構築し、運用開始から統合可能であること。

提案手法

• コンパクトなグレーティングモノクロメーター（SLACのFENG設計を基に）を用いた自己シーディング方式を実装。3面鏡とVLSグレーティングを備え、約2.5 psの光路遅延を提供する。
• 約2 mmの分散を持つ5 mの磁気チカインを用い、電子ビームを遅延させることで、光路遅延を補償し、SASEのマイクロバンチングを除去する。
• 電子ビームが2番目のウンドュレータ入口でモノクロマチズド放射と再結合され、コヒーレント増幅が発生する。
• ウンドュレータギャップを段階的に減少させることでテーパリングを適用し、共鳴を維持しながら電子ビームからのエネルギー抽出を増加させる。
• 0.1 nCの電子ビームを用いたスタート・トゥ・エンドのシミュレーションを実施。電子ビームから最終X線パルスまでのFELプロセスを完全にモデル化する。
• システムは非侵襲的設計となっており、ベースライン運用を保持し、SASEモードへの安全な復帰が可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グレーティングモノクロメーターを用いたコンパクトな自己シーディング方式は、ヨーロッパXFELにおけるソフトX線FELパルスの縦方向コヒーレンスを顕著に向上させ得るか？
• RQ2 SASE3ビームラインにおいて自己シーディングとウンドュレータテーパリングを組み合わせた場合、得られる最大FEL出力はどの程度か？
• RQ3 単色化されたシードは、ノイズからのSASEと比較して、エネルギー抽出効率をどのように向上させるか？
• RQ4 ソフトX線領域で効果的なシーディングを可能にするために、必要なシード出力レベルはどの程度か？
• RQ5 提案された方式は、コスト効果的かつ既存のビームライン運用への最小限の影響で実装可能か？

主な発見

• 自己シーディング方式により、スペクトル帯域幅（FWHM）が10⁻³未満の変換制限された完全なコヒーレントソフトX線パルスが生成可能である。
• テーパリングを施した場合、FELピーク出力は約800 GWに達し、SASEサチュレーション出力（約100 GW）の10倍に相当する。
• 1.5 nmの波長において、1パルスあたり0.6×10¹⁴個の光子が発生し、パルス幅（FWHM）は10 fsである。
• 高い安全余裕が確保されている：シード出力が10倍劣化（20 kWに低下）しても、信号は1 kWのショットノイズレベルをはるかに上回る。
• モノクロメーターの効率は推定で約10%とされるが、詳細な計算により確認が必要である。
• テーパリングに伴い横方向ビーム発散角は減少するが、ウンドュレータ出口でのビームスポットサイズは増加するため、指向性が向上していると示唆される。