[論文レビュー] Ultrafast X-ray pulse measurement method

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2010

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 5被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、X線自由電子レーザー（XFEL）におけるフェムト秒X線パルスを測定するための新規で低コストな手法を提案する。磁気チカンによって電子ビームとシードX線パルスの間に可変遅延を生成する「フレッシュビーム」技術を用い、ショットごとの平均エネルギー測定によりX線パルスの強度自己相関関数を測定することで、1.5のデコンボリューション係数を用いてパルス幅を推定し、1.4 μm FWHMパルスに対して1.5 μm未満の分解能を達成する。

ABSTRACT

In this paper we describe a measurement technique capable of resolving femtosecond X-ray pulses from XFEL facilities. Since these ultrashort pulses are themselves the shortest event available, our measurement strategy is to let the X-ray pulse sample itself. Our method relies on the application of a "fresh" bunch technique, which allows for the production of a seeded X-ray pulse with a variable delay between seed and electron bunch. The shot-to-shot averaged energy per pulse is recorded. It turns out that one actually measures the autocorrelation function of the X-ray pulse, which is related in a simple way to the actual pulse width. For implementation of the proposed technique, it is sufficient to substitute a single undulator segment with a short magnetic chicane. The focusing system of the undulator remains untouched, and the installation does not perturb the baseline mode of operation. We present a feasibility study and we make exemplifications with typical parameters of an X-ray FEL.

研究の動機と目的

• XFEL施設における10 fs未満のX線パルスを正確に測定するための信頼性の高い手法の不足に対処すること。
• 最小限のハードウェア改造で、超短パルスX線パルスの長さを直接測定可能な技術を開発すること。
• XFELの標準運用を妨げない非破壊的でベースライン互換性のあるソリューションを提供すること。
• 電子ビームシーディングと可変遅延を用いて、X線パルスの強度自己相関関数を測定可能であることを実証すること。
• 統合エネルギー測定とシミュレーションベースのデコンボリューションのみを用いて、正確なパルス幅推定を可能にすること。

提案手法

• 磁気チカンを単一のウインドレーター素子に置き換えることで、電子ビームをX線パルスに対して遅延させ、マイクロビームの生成を洗い流し、可変遅延を実現する。
• 最初のウインドレーター素子から発生するX線パルスが、同じ波長で共鳴する2番目のウインドレーター素子のシードとして機能し、シードドFEL増幅により信号を増幅する。
• 遅延τの関数として2番目のウインドレーターにおけるショットごとの平均出力を測定し、強度自己相関関数A(τ) = ∫<P(t−τ)><P(t)> dt を得る。
• チカン内にX線光学遅延ラインを用いて遅延をスキャンすることで、実験的に完全な自己相関トレースを取得する。
• 簡略化されたバージョンでは、光学遅延ラインを用いずに磁気チカンのみを用い、欠落した自己相関データはシミュレーションによる再構成を必要とする。
• 本手法は1次元FEL理論に依拠し、出力の増幅は<P(t)> = P₀ exp[2L_w Re(Λ(t))] としてモデル化され、最終的な自己相関は2つの出力エンベロープの積から導出される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気チカンとシードドFEL構成のみを用いて、フェムト秒X線パルスの強度自己相関関数を測定できるか？
• RQ2 本手法で達成可能な時間分解能は、X線パルス幅測定においてどの程度か？
• RQ3 アクティブな光学遅延ラインを備えない磁気チカンのみを用いた場合、本手法はどの程度の性能を示すか？
• RQ4 デコンボリューションを用いて、測定された自己相関トレースからどの程度正確にパルス幅を推定できるか？
• RQ5 本手法はXFEL施設のベースライン運用を損なわず、実装可能か？

主な発見

• 本手法は、磁気チカンとシードドFEL構成のみを用いて、フェムト秒X線パルスの強度自己相関関数を成功裏に測定し、パルス幅の推定を可能にした。
• 電子ビームとシードX線パルスの間の遅延をスキャンすることで、完全な自己相関トレースが得られ、1パルスあたりの測定エネルギーが直接A(τ)を示す。
• 1.4 μm FWHMのX線パルスに対して、1.5のデコンボリューション係数を適用した結果、パルス幅は1.3 μmと推定され、シミュレーションと良好な一致を示した。
• 磁気チカンのみを用いた簡略化されたバージョンでは、部分的な自己相関トレースが得られ、電子ビームの性質に関する事前知識とシミュレーションを用いて再構成可能である。
• 本技術は頑丈で非破壊的であり、ウインドレーター素子1つをチカンに置き換えるだけでよく、ベースラインのフォーカス構造と運用モードを保持する。
• 実現可能性の検討から、本手法は一般的なXFELパラメータに適しており、実用的なパルス特徴化に十分な測定精度を有することが確認された。