[論文レビュー] Superradiant Undulator Radiation for Selective THz Control Experiments at XFELs

Takanori Tanikawa, Suren Karabekyan+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2018

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、欧州XFELにおける使用済み電子ビームからの超放射性ウンドレーター放射を利用して、周波数可変、帯域幅が狭い、キャリアエンvelope位相安定なテラヘルツ（THz）パルスを生成する手法を提案している。3–30 THzの周波数帯域で最大280 µJのエネルギーを達成可能であり、超伝導ウンドレーターと高品質な17.5 GeVの電子ビームを活用することで、最高4.5 MHzの高繰り返し周波数でX線パルスと同期したTHzパルスを生成し、電子的・構造的ダイナミクスのフェムト秒スケールのポンプ・プローブ実験を可能にする。

ABSTRACT

The generation of frequency-tunable, narrow-bandwidth and carrier-envelope-phase stable THz pulses with fields in the MV/cm regime that can be appropriately timed to the femtosecond X-ray pulses from free-electron-lasers is of highest scientific interest. It will enable to follow the electronic and structural dynamics stimulated by (non)linear selective excitations of matter on few femtosecond time and Ångstrom length scales. In this article, a scheme based on superradiant undulator radiation generated just after the XFEL is proposed. The concept utilizes cutting edge superconducting undulator technology and provides THz pulses in a frequency range between 3 and 30 THz with exceptional THz pulse energies. Relevant aspects for realization and operation are discussed point by point on the example of the European XFEL.

研究の動機と目的

• 強力で帯域幅が狭いTHzパルスを用いて、物質内の低エネルギー自由度を選択的に非線形励起することを目的とする。
• XFELポンプ・プローブタイミングと互換性を持つ、高繰り返し周波数・高場強度・周波数可変THz源の不足を補うこと。
• 既存のXFELインfrastrutureを活用し、mJレベルのエネルギーと100 fs未満の時間分解能を有するTHzパルスを生成する技術的に実現可能な手法を開発すること。
• 繰り返し周波数が4.5 MHzに達するまで、THzポンプパルスとX線プローブパルスの同期を保証すること。
• 調整可能なウンドレーター長さおよびビームトレインタイミングを用いて、パルス内のTHz周期数を制御し、選択的励起実験を可能とすること。

提案手法

• 欧州XFELのSASE FELプロセスで発生する使用済み電子ビームを用い、超伝導ウンドレーター内で超放射性THz放射を生成する。
• 17.5 GeVの電子ビームエネルギー下で3–30 THzの基本周波数を最適化した10周期の超伝導ウンドレーターを設計する。
• Nb-Ti超伝導技術を用いて7.3 Tの高いピーク磁場を実現し、高エネルギー電子ビーム下でも超放射を維持する。
• 12 mの空間に収まるよう折りたたみ型ウンドレーター構造を採用し、性能を維持しながら長さを最小限に抑え、光学損失は約3%増加にとどめる。
• 770 ps間隔のダブル・ビーム方式を採用し、X線パルス列とは独立してTHzパルスを生成することで、タイミングの柔軟性を確保し、X線バックグラウンドを低減する。
• 既存のX線光学トンネルを活用したTHz伝送路を設計し、長距離伝送とビーム品質の維持を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 使用済みXFEL電子ビームからの超放射性ウンドレーター放射は、十分なエネルギーを有する狭帯域、周波数可変THzパルスを生成可能か？
• RQ2 17.5 GeVの電子ビームエネルギー下で超伝導ウンドレーターを用いて、3–30 THz帯域で10 µJを超えるエネルギーと10%未満の帯域幅を達成可能か？
• RQ3 欧州XFELの高繰り返し周波数（最大4.5 MHz）を活用し、X線パルスと同期したTHzパルスを生成し、ポンプ・プローブ実験を可能にするか？
• RQ4 高繰り返し周波数でのXFEL運用において、THzパルスとX線パルス間のタイミングジッターを最小限に抑えるか、補正可能か？
• RQ5 ウンドレーター長さまたは電子ビーム配置を調整することで、パルス内のTHz周期数を制御可能か？これにより、選択的励起実験が可能か？

主な発見

• 10周期のウンドレーターと17.5 GeVの電子ビームを用いることで、表3に示すように、3–30 THzの基本周波数帯域で最大280 µJのパルスエネルギーが達成可能である。
• 1–100 THz帯域全体で最大3.45 mJの総パルスエネルギーが得られ、500 pCの電子ビームバッチで3 THzで279 µJのエネルギーを有する。
• この手法は、欧州XFELのX線パルス列構造（10トレイン/s、1トレインあたり最大2700パルス）に一致する最大4.5 MHzの繰り返し周波数をサポートする。
• XFEL電子ビームの高品質性に起因し、パルス間エネルギー安定性が極めて良好になると予想され、信頼性の高いポンプ・プローブ測定が可能となる。
• ダブル・ビーム方式により、1 nsの遅延ラインを用いてTHzパルスのタイミングを柔軟に制御でき、任意の繰り返し周波数でX線パルスと同期可能である。
• 既存のトンネルインfrastruture内を数100メートルにわたりTHz伝送路を構築可能であり、3回の追加反射による損失は無視できる程度である。