[논문 리뷰] Circular polarization control for the LCLS baseline in the soft X-ray regime

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 12. 23.

Advanced X-ray Imaging Techniques참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 LCLS 기본 설계를 기반으로, 평면형 우두르의 후속 40m 직선 구간 뒤에 5m 길이의 APPLE II 나선형 우두르를 삽입하여, 소프트 엑스선 영역에서 기본 고조파에서 10 GW 수준, 99% 원형 편광된 엑스선을 저비용으로 쉽게 실현 가능한 방법을 제안한다. 사전 존재하는 마이크로번칭이 유지되어 일관된 복사 방출이 가능하며, 기본 운영에 거의 영향을 주지 않으면서도 높은 편광 순도를 확보한다.

ABSTRACT

The LCLS baseline includes a planar undulator system, producing linearly polarized light in the range 0.15-1.5 nm. Polarization control in the soft X-ray region from linear to circular is highly desirable. Several schemes using helical undulators have been discussed for the LCLS. One consists in replacing three of the last planar undulator segments by APPLE III. A second proposal, the 2nd harmonic helical afterburner, uses short, crossed undulators tuned to the second harmonic. This last scheme is expected to be the better one. Its advantages are a high and stable degree of circular polarization and a low cost. Its disadvantage is a small output power and a narrow wavelength range. We propose a novel method to generate 10 GW level power at the fundamental harmonic with 99% degree of circular polarization from the LCLS baseline. Its merits are low cost, simplicity and easy implementation. After the baseline undulator, the electron beam is sent through a 40 m long straight section, and subsequently passes through a short APPLE II radiator. The microbunch structure is easily preserved, and intense coherent radiation is emitted in the helical radiator. The background radiation from the baseline undulator is suppressed by letting radiation and electrons through horizontal and vertical slits upstream the helical radiator, where the radiation spot size is about ten times larger than the electron bunch transverse size. Using thin Beryllium foils for the slits the divergence of the electron beam halo increases by Coulomb scattering, but the beam will propagate through the setup without electron losses. The applicability of our method is not restricted to the LCLS baseline setup. LCLS II or the European XFEL may benefit from this work as well, due to availability of sufficiently long free space at the end of undulator tunnel.

연구 동기 및 목표

• LCLS 기본 설계에서 소프트 엑스선 영역에서 고정밀 원형 편광 제어를 실현하여 초고속 자기 현상 및 물질 성질 연구에 기여한다.
• 기본 설계의 평면형 우두르가 선형 편광된 복사만 생성하는 한계를 해결하기 위해 실용적인 편광 제어 방식을 도입한다.
• 기본 운영을 손상시키지 않거나 주요 재설계가 필요 없이 10 GW 피크 전력에서 99% 이상의 원형 편광도를 달성한다.
• 기존 LCLS 인프라와 호환되며 다른 XFEL 시설에도 쉽게 적용 가능한 저비용, 저위험 해결책을 개발한다.

제안 방법

• 기본 평면형 우두르 뒤에 40m 길이의 직선 구간을 삽입하여, 나선형 방사체 이전에 전자 빔의 마이크로번칭을 유지한다.
• 기본 고조파(1.5 nm)에 터지도록 조절된 5m 길이의 APPLE II 유형 나선형 우두르를 후속 위치에 설치하여, 사전 번칭된 빔으로부터 일관된 원형 편광 복사를 생성한다.
• 기본 우두르에서 유래한 배경 복사를 억제하기 위해, 나선형 우두르의 상류에 수평 및 수직 슬릿을 배치하며, 전자 빔 크기보다 훨씬 큰 복사 스포트 크기를 활용한다.
• 얇은 베릴륨 필름을 슬릿으로 사용하여 쿨롱 산란을 통해 전자 빔 홀로의 산란 각도를 증가시켜, 불필요한 복사 필터링을 하면서도 전자 손실을 최소화한다.
• 이 방법은 평면형 우두르에서 SASE 과정을 통해 마이크로번칭을 생성하고, 이를 나선형 방사체에서 일관된 방식으로 이용하여 강력한 원형 편광 펄스를 생성하는 데 기반한다.
• 이 설계는 비침습적이다: 기본 우두르의 운영 방식을 변경하지 않으며, 최소한의 정지 시간으로 신속하게 설치 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 작고 후행 위치에 있는 나선형 우두르를 사용하여 소프트 엑스선 영역의 기본 고조파에서 99% 이상의 높은 원형 편광도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 기본 평면형 우두르에서 생성된 마이크로번칭이 40m 직선 구간을 통과해도 유지되어 후속 나선형 방사체에서 일관된 복사 방출이 가능한가?
• RQ3 기본 우두르에서 발생하는 배경 복사를 전자 빔 손실이 크게 증가하지 않도록 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ4 이 구성에서 얻을 수 있는 원형 편광 복사의 피크 전력과 스펙트럼 대역폭은 얼마인가?
• RQ5 제안된 방법은 비용 효율적이며 안전하고, LCLS나 유럽 XFEL과 같은 기존 XFEL 인프라와 호환되는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 기본 고조파(1.5 nm)에서 약 10 GW의 피크 전력을 달성하며, 기본 LCLS 우두르의 포화 전력과 일치한다.
• 원형 편광도는 99%에 도달하여 이전의 고조파 기반 방법의 90% 한계를 크게 초월하며 이론적 최대치에 가까워진다.
• 기본 LCLS 우두르의 운영 방식이 유지되며, 나선형 방사체가 후속 위치에 설치되어 원래 전자 빔 경로나 조정 방식에 간섭하지 않는다.
• 복사 스포트 크기가 전자 빔 횡방향 크기보다 약 10배 큰 지점에 슬릿을 배치함으로써 배경 복사가 효과적으로 억제된다.
• 얇은 베릴륨 필름 슬릿으로 인한 쿨롱 산란에도 불구하고 전자 빔 핵심부의 손실이 크게 증가하지 않으며, 홀로의 산란 각도가 증가함에 따라 손실이 최소화된다.
• 이 설계는 확장 가능하며, LCLS II 및 유럽 XFEL과 같은 다른 XFEL 시설에도 적용 가능하다. 유일한 조건은 우두르 터널 끝에 충분히 긴 자유 공간이 확보되어 있어야 한다.