[논문 리뷰] A simple method for controlling the line width of SASE X-ray FELs

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 04. 23.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers참고 문헌 9인용 수 33

한 줄 요약

이 논문은 단일 결정을 투과 기하학에서 사용하여 좁은 대역폭, 고코herence X선 펄스를 생성하는 단일 뭉치 자기재료화 방법을 제안한다. 결정의 밴드스톱 필터 응답과 짧은 자기 카운터를 이용한 시간 창 설정을 통해, 경로 지연이나 복잡한 빔 회피 구조 없이도 스펙트럼 대역폭을 10⁻⁵까지 낮출 수 있으며, 기본 언두레이 시스템에 최소한의 하드웨어 수정만으로도 단일성 펄스를 생성할 수 있다.

ABSTRACT

This paper describes a novel single-bunch self-seeding scheme for generating highly monochromatic X-rays from a baseline XFEL undulator. Previous schemes made use of a four-crystal fixed-exit monochromator in Bragg geometry. In such monochromator the X-ray pulse acquires a cm-long path delay, which must be compensated. For a single-bunch self-seeding scheme this requires a long electron beam bypass, implying modifications of the baseline undulator configuration. To avoid this problem, a double bunch self-seeding scheme based on a special photoinjector setup was recently proposed. At variance, here we propose a new time-domain method of monochromatization exploiting a single crystal in the transmission direction, thus avoiding the problem of extra-path delay for the X-ray pulse. The method can be realized using a temporal windowing technique, requiring a magnetic delay for the electron bunch only. The proposed setup is extremely simple and composed of as few as two simple elements. These are the crystal and the short magnetic chicane, which accomplishes three tasks by itself. It creates an offset for crystal installation, it removes the electron micro-bunching produced in the first undulator, and it acts as a delay line for temporal windowing. Using a single crystal installed within a short magnetic chicane in the baseline undulator, it is possible to decrease the bandwidth of the radiation well beyond the XFEL design down to 10E-5. The installation of the magnetic chicane does not perturb the undulator focusing system and does not interfere with the baseline mode of operation. We present feasibility study and exemplifications for the SASE2 line of the European XFEL.

연구 동기 및 목표

• SASE X선 FEL의 열악한 종방향 코herence로 인해 포화 스펙트럼 대역폭이 푸리에 변환 한계를 크게 초과하는 문제를 해결하기 위해.
• 고정 출구 단색화기에서 cm 규모의 X선 경로 지연으로 인해 기존 자기재료화 방법이 긴 전자 뭉치를 필요로 하는 제약을 극복하기 위해.
• 단일 결정과 최소한의 자기 카운터만을 사용하여 컴act하고 비용 효율적인 고단색 X선 생성 방법을 개발하기 위해.
• 유럽 XFEL의 SASE2의 시운전 단계 동안 기본 운영을 방해하거나 주요 언두레이 재구성 없이 설치가 가능하도록 하기 위해.

제안 방법

• 단일 결정을 투과 기하학에서 사용하여 밴드스톱 필터로 작용시켜 좁은 흡수 공명을 생성하고, X선 펄스를 긴 단색성 위상으로 변형한다.
• 짧은 자기 카운터 내에 결정을 배치하여 전자 뭉치 지연, 첫 번째 언두레이에서 유도된 마이크로 뭉치 제거, 정밀한 시간 창 설정을 동시에 수행한다.
• 전달된 복사 펄스의 위상과 진폭 응답을 모델링하기 위해 회절의 동역학 이론과 Kramers-Kronig 관계를 활용한다.
• 결정을 통과한 후 형성된 단색성 위상 펄스는 두 번째 언두레이 입구에서 지연된 전자 뭉치와 합쳐져 고이득 증폭을 유도한다.
• 시스템은 시간 창 설정 방식으로 작동한다: 단지 긴 단색성 꼬리 부분만 지연된 전자 뭉치와 겹쳐져, 사운드 노이즈보다 우세한 시드 전력 보장한다.
• 전체 설정에는 결정과 짧은 카운터 두 개의 구성 요소만 필요하여, 설치 및 통합이 간편하고 기존 XFEL 인프라에 쉽게 통합할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 결정을 투과 기하학에서 사용하여 복잡한 4결정 브라그 단색화기의 대체가 가능할 수 있는가? 이때 X선 경로 지연이 발생하지 않는가?
• RQ2 전자 뭉치를 회피하지 않고도 10⁻⁵ 이하의 상대 스펙트럼 대역폭을 달성하는 것이 가능한가?
• RQ3 짧은 자기 카운터가 동시에 전자 뭉치 지연, 마이크로 뭉치 제거, 결정 설치의 정렬 오프셋 제공이 가능한가?
• RQ4 브라그 회절 조건 하에서 전달된 X선 펄스의 시간 도메인 파형은 어떻게 행동하는가? 효과적인 시드링을 지원할 수 있는가?
• RQ5 펄스 지속시간이 장수 펄스 작동 중에 밴드스톱 필터의 효과성과 단색성 위상 형성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 상대 스펙트럼 대역폭 10⁻⁵를 달성하여 일반적인 SASE FEL 대역폭보다 크게 낮추고, 푸리에 변환 한계에 가까워진다.
• 결정의 투과 스펙트럼은 좁은 흡수 공명을 나타내며, X선 펄스를 사운드 노이즈를 훨씬 초월하는 긴 단색성 위상으로 변형한다.
• 짧은 자기 카운터는 세 가지 기능을 성공적으로 수행한다: 전자 뭉치 지연, 첫 번째 언두레이에서의 마이크로 뭉치 제거, 결정 설치를 위한 안정된 오프셋 제공.
• 모든 X선 경로 지연을 피함으로써, 이전의 단일 뭉치 자기재료화 접근법에서 요구되던 60m의 전자 뭉치 회피 경로가 필요 없어진다.
• 단기 및 장기 펄스 모드 모두에서 실현 가능성이 입증되었으며, 스펙트럼 및 시간 도메인 파형에서 명확한 밴드스톱 필터링과 단색성 꼬리 형성이 관찰된다.
• 이 방법은 기본 언두레이 구성과 호환되며, 유럽 XFEL의 SASE2 시운전 단계에서 설치가 가능하며, 잠재적으로 2014년 후반에 운영이 가능할 것으로 기대된다.