[論文レビュー] The potential for extending the spectral range accessible to the European XFEL down to 0.05 nm

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 9

ひとこと要約

本論文は、1つの電子ビームバッチを用いて0.15 nmおよび0.05 nmの両波長で高強度でフェムト秒時間スケールのX線パルスを同時に生成できるようにするため、磁気歪みと光学遅延を用いた「フレッシュバッチ」技術を提案する。この手法により、1つのアンジュレータ内で0.05 nmまでスペクトル範囲を拡張でき、最小限のハードウェア改造で、基盤運用の完全性を保ちながら、低コストで非破壊的なアップグレードが可能となる。

ABSTRACT

Specifications of the European XFEL cover a range of wavelengths down to 0.1 nm. The baseline design of the European XFEL assumes standard (SASE) FEL mode for production of radiation i.e. only one photon beam at one fixed wavelength from each baseline undulator with tunable gap. Recent developments in the field of FEL physics and technology form a reliable basis for an extensions of the mode of operation of XFEL facilities. This paper explores how the wavelength of the output radiation can be decreased well beyond the European XFEL design, down to 0.05 nm. In the proposed scheme, which is based on the use "fresh bunch" technique, simultaneous operation at two different wavelengths possible. It is shown that one can generate simultaneously, in the same baseline undulator with tunable gap, high intensity radiation at 0.05 nm at saturation, and high intensity radiation around 0.15 nm according to design specifications. We present a feasibility study and we make exemplifications with the parameters of SASE2 line of the European XFEL.

研究の動機と目的

• ヨーロピアンXFELの基本スペクトル範囲を0.1 nmから0.05 nmまで拡張すること。
• 1つの電子ビームバッチを用いて、0.15 nmおよび0.05 nmという異なる2つの波長で、高強度でフェムト秒時間スケールのコherent X線パルスを同時に生成すること。
• 基盤運用の完全性を保ちながら、短時間で実現可能で低コストな手法を確立し、新たな短波長モードを追加すること。
• 高い空間分解能、低い吸収、広い散乱体積を必要とする高度なポンプ・プローブ実験を支援すること。

提案手法

• 3段階のアンジュレータ系を採用：最初の段階で、線形領域におけるSASE放射が0.15 nmで生成される。
• 磁気チカインとミラーを用いた光学遅延を導入し、放射パルスをバッチ長さの約半分だけ遅延させ、新たに「フレッシュ」な電子ビームバッチを形成してシーディングを実現する。
• 遅延された0.15 nmの基本波（fundamental）とその3次高調波（0.05 nm）の放射パルスを、0.05 nmに調整された3番目のアンジュレータ部にシーディングする。
• 3番目のアンジュレータ部（11セル、67.1 m）は0.05 nmで飽和に到達するように設計されており、0.15 nmの放射は回折して干渉しない。
• この手法は、0.15 nmでの飽和後に電子ビームの後部でSASE増幅を開始できる「フレッシュバッチ」技術に依存している。
• シミュレーションにより、電子ビームのエネルギー散乱、エネルギー損失、各段階におけるビームパワー分布をモデル化し、性能と飽和の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.15 nmでの基盤運用を損なわず、ヨーロピアンXFELのスペクトル範囲を0.05 nmまで拡張することは可能か？
• RQ2 1つの電子ビームバッチを用いて、0.15 nmおよび0.05 nmの両方で高強度でフェムト秒時間スケールのX線パルスを同時に生成することは可能か？
• RQ3 「フレッシュバッチ」技術を応用して、0.15 nmでの飽和後に長めのアンジュレータ部で0.05 nmでのSASEレーザー発振を実現できるか？
• RQ4 二重波長動作を実装するために必要なハードウェア改造は何か？ また、それらは既存の機器性能にリスクをもたらすか？

主な発見

• 本手法により、0.15 nmで10 GWレベルのパルスと0.05 nmで10 GWレベルのパルスが同時に生成され、それぞれのアンジュレータ部で飽和に達することが確認された。
• 3番目のアンジュレータ部（67.1 m、11セル）は0.05 nmでの飽和に十分な長さであり、出力パワーが10 GWレベルに達することが示された。
• 3段階終了時のビームパワー分布（図16）から、0.05 nmでの強力な増幅が確認された。一方、スペクトル（図17）は0.05 nmに支配的なピークを示し、0.15 nmの基本波による汚染は最小限に抑えられていた。
• エネルギー散乱およびエネルギー偏差（図18）は、許容範囲内に保たれており、ビームの劣化が顕著でない安定した運用が可能であることが示された。
• 本技術は短い磁気チカインと光学遅延装置のみを必要とするため、低コストで非侵襲的なアップグレードであり、基盤運用へのリスクは一切ない。
• 本手法はヨーロピアンXFELに限らず、LCLS や SASE1 などの短いアンジュレータを備えた他のXFEL施設、特に固定ギャップアンジュレータを搭載した施設にも適用可能である。