[論文レビュー] Way to increase the user access at the LCLS baseline

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2010

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 8被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、4 mの磁気チカインと挿入可能なX線ミラーを用いたコンactで逆転可能なセットアップを提案し、基準のLCLSアンジュレータにおいて、アンジュレータの前半と後半で発生するSASE X線ビームを空間的に分離することで、2名のユーザーが同時に運用できるようにする。この手法により、ユーザー間の迅速な切り替えが可能となり、高速切替可能な結晶デフレクタを用いることで6名のユーザー運用にも拡張可能であり、高パワーで帯域が狭い単色X線ビームを基本周波数および2次高調波周波数で得られる。

ABSTRACT

The LCLS beam is meant for a single user, but the baseline undulator is long enough to serve two users simultaneously. To this end, we propose a setup composed of two elements: an X-ray mirrors pair for X-ray beam deflection, and a 4 m-long magnetic chicane, which creates an offset for mirrors pair installation in the middle of the baseline undulator. The insertable mirrors pair can separate spatially the X-ray beams generated in the first and in the second half of the baseline undulator. Rapid switching of the FEL amplification process allows deactivating one half and activating another half of the undulator. As proposed elsewhere, using a kicker installed upstream of the LCLS baseline undulator and an already existing corrector in the first half of the undulator, it is possible to rapidly switch the X-ray beam from one user to another. We present simulation results for the LCLS baseline, and show that it is possible to generate two saturated SASE X-ray beams in the whole 0.8-8 keV photon energy range in the same baseline undulator. These can serve two users. Our technique does not perturb the baseline mode of operation of the LCLS undulator. Also, the magnetic chicane setup is very flexible, and can be used as a self-seeding setup too. We present simulation results for the LCLS baseline undulator with SHAB. One can produce monochromatic radiation at the 2nd harmonic as well as at the 1st. We describe an efficient way for obtaining multi-user operation at the LCLS hard X-ray FEL. To this end, a photon beam distribution system based on the use of crystals in the Bragg reflection geometry is proposed. The reflectivity of crystal deflectors can be switched fast enough by flipping the crystals with piezoelectric devices. Monochromatic hard X-rays can then be distributed among 6 independent experiments, thereby enabling 6 users to work in parallel in the near and far experimental halls.

研究の動機と目的

• 基準のLCLSアンジュレータでの運用を損なわず、高コストや高リスクを伴わずにユーザーのアクセスを増やすこと。
• 長大な基準アンジュレータの前半と後半で発生するSASE X線ビームを空間的に分離することで、2名のユーザーが同時に運用できるようにすること。
• ブレグ反射幾何学における高速切替可能な結晶デフレクタを用いて、最大6名のユーザーを同時に運用可能にする能力を拡張すること。
• 2次高調波アフターバーナー（SHAB）を用いた自己シーディングの実現可能性を示し、基本周波数および2次高調波周波数で高品質な単色放射を生成すること。
• 提案されたシステムが完全に逆転可能であり、標準LCLS運用に影響を与えないようにし、基準モードへの安全かつ即時の復帰を保証すること。

提案手法

• 13番目のアンジュレータセグメントの後ろに4 mの磁気チカインを設置し、X線ミラーのペアを挿入可能な空間的オフセットを生成する。
• チカインを用いて、アンジュレータの前半と後半におけるFEL増幅を迅速に切り替えることで、2名のユーザー間でのビーム切り替えを可能にする。
• ブレグ反射幾何学における挿入可能X線ミラーを用いて、アンジュレータの2つのセグメントで発生する2つのSASE X線ビームを空間的に分離する。
• 高速作動ピエゾエレクトリック結晶デフレクタを用い、単色X線を6つの異なる実験ステーションにルーティングし、最大100 Hzの切り替えレートを実現する。
• SHAB構成における単一結晶モニタラに自己シーディング方式を採用し、基本周波数および2次高調波周波数で帯域が狭い放射を生成する。
• フルFELシミュレーションツールを用いてシステムの性能をシミュレートし、0.8–8 keV範囲および16 keVにおける2次高調波運用のパワー、帯域、安定性を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小限のハードウェア改造で、LCLS基準アンジュレータが0.8–8 keV範囲で2つの同時SASE X線ビームを飽和状態で発生可能であるか。
• RQ2 異なるアンジュレータセグメントにおけるFEL利得を制御することで、2名のユーザー間で迅速かつ逆転可能な切り替えが可能であるか。
• RQ3 自己シーディングSHAB構成が、わずか数個のアンジュレータセルで、強度が高く帯域が狭い放射を両方の高調波周波数で生成可能であるか。
• RQ4 提案された自己シーディング構成とSHABを用いた場合、2次高調波で得られる最大パワーと帯域はどの程度か。
• RQ5 高速切替結晶デフレクタを用いることで、近接および遠隔実験ホールの6つの独立した実験に、効率的かつ高繰り返しレートでビームを分配可能であるか。

主な発見

• 迅速な切り替えを用いてアンジュレータの前半と後半を順次活性化することで、0.8–8 keV範囲で2つの飽和SASE X線ビームを同時に生成可能である。
• 提案されたセットアップにより、基準LCLS運用に影響を与えることなく2名のユーザー運用が可能であり、チカインとミラーを引き返すことで標準モードに即座に復帰可能である。
• SHABを用いた自己シーディング方式により、2次高調波出力の帯域が0.007%にまで狭まり、わずか5個のアンジュレータセグメントでも、GWレベルのパワーを達成している。
• シミュレーションでは、基本周波数のパワーが40 GWに達しており、13セル中11セルを用いたコンactな構成でも高い効率を示している。
• 結晶デフレクタは100 Hzで切り替え可能であり、1マイクロラジアン未満の精度で動作し、単色X線を6つの独立した実験に効率的に分配可能である。
• システムは完全に逆転可能で安全であり、チカインを切ることで基準運用に即座に復帰可能で、運用の継続性が保証されている。