[論文レビュー] Wake monochromator in asymmetric and symmetric Bragg and Laue geometry for self-seeding the European X-ray FEL

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2013

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ヨーロッパX線FELにおける3–13 keV範囲で自己シーディングを可能にする、1つのダイヤモンド結晶を用いたウェークモノクロメーターを提案している。非対称および対称のブラッグ回折およびラウエ回折を活用することで、完全なコherenecyを維持したままTWレベルのピーク出力が得られる。1つの回転自由度を有する1つの結晶を用いることで、生物学的イメージング用ビームラインの簡素化を実現するとともに、空間的・時間的結合効果を考慮した最適化されたスタート・トゥ・エンドシミュレーションにより、高いスペクトル的および時間的性能を維持している。

ABSTRACT

We discuss the use of self-seeding schemes with wake monochromators to produce TW power, fully coherent pulses for applications at the dedicated bio-imaging bealine at the European X-ray FEL, a concept for an upgrade of the facility beyond the baseline previously proposed by the authors. We exploit the asymmetric and symmetric Bragg and Laue reflections (sigma polarization) in diamond crystal. Optimization of the bio-imaging beamline is performed with extensive start-to-end simulations, which also take into account effects such as the spatio-temporal coupling caused by the wake monochromator. The spatial shift is maximal in the range for small Bragg angles. A geometry with Bragg angles close to pi/2 would be a more advantageous option from this viewpoint, albeit with decrease of the spectral tunability. We show that it will be possible to cover the photon energy range from 3 keV to 13 keV by using four different planes of the same crystal with one rotational degree of freedom.

研究の動機と目的

• ヨーロッパXFELの専用生物学的イメージングビームラインにおける自己シーディング装置の簡素化とコスト削減。
• 最小限の機械的複雑性で1つのダイヤモンド結晶を用いて、3 keVから13 keVへのスペクトルカバレッジの拡張。
• 空間的・時間的結合効果を考慮した非対称および対称のブラッグおよびラウエ幾何学における性能最適化。
• 自己シーディングとウインドレーターの傾斜化を用いて、TWレベルのピーク出力と完全なコherenecyを達成する可能性の検証。

提案手法

• X線モノクロメータ化のための非対称および対称ブラッグおよびラウエ回折をモデル化するため、動的回折理論を用いる。
• 電子ビームの運動、FEL増幅、およびモノクロメーターに起因する空間的・時間的シフトを組み込んだスタート・トゥ・エンドシミュレーションを実施。
• 単結晶ダイヤモンド（C(111)、C(113)、C(333)、C(004)）を用いたウェークモノクロメーターの概念を適用し、σ偏光を用いてFEL放射をフィルタリングおよびシードする。
• 1つの回転自由度を用いて、3–13 keV範囲にわたる複数の結晶面にアクセス可能となるようにシステムを最適化。
• シードパルスをTWレベルの出力パワーに増幅するために、飽和後のウインドレーター傾斜化を実装。
• 結晶通過に起因するシードパルスシフトに伴う結合効率を、FEL入力パワー係数をシフト量の関数としてモデル化することで分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの回転自由度を有する単一ダイヤモンド結晶が、複数のブラッグおよびラウエ回折を用いて3–13 keV範囲をカバー可能か？
• RQ2 ウェークモノクロメーターはどのように空間的・時間的結合を引き起こし、FELシーディング効率にどのような影響を与えるか？
• RQ3 非対称および対称反射の最適な設定は何か？　これは、スペクトルのチューナビリティと出力パワーの最大化に寄与する。
• RQ4 ウインドレーターの傾斜化は、モノクロメーターによるフィルタリングに起因するシードパワーの低下をどの程度補償できるか？
• RQ5 提案された設計は、ターゲットエネルギー範囲全域でTWレベルの出力パワーを達成し、完全なコherenecyを維持できるか？

主な発見

• C(111)、C(113)、C(333)、C(004)反射を有する1つのダイヤモンド結晶により、1つの回転自由度で3 keVから13 keVまでの全スペクトルカバレッジが実現可能である。
• ウェークモノクロメーターが引き起こす空間的シフトは、小さなブラッグ角で最大値に達するため、シフトを最小限に抑えるにはπ/2に近いブラッグ角が好ましいが、これはスペクトルのチューナビリティが低下する代償を伴う。
• C(333)非対称ブラッグ反射を用いた9 keVの条件下で、システムはピーク出力が約20倍に増幅され、ウインドレーター傾斜化後に約1 TWに達する。
• シミュレーションにより、因果関係が非常に高い数値的精度で保持されており、主パルスの前には出力レベルがほぼゼロであることが確認され、シミュレーションの信頼性が裏付けられた。
• フィルタリング後のスルーバンド幅はほとんど変化せず、自己シーディングプロセス中に高い単色性が維持されていることが示された。
• 100回の単一ショット実行の結果、最終出力は安定したパルスエネルギーと低いエネルギー分散を示し、システムの頑健性とコherenecyの維持が確認された。