[논문 리뷰] Conceptual design of an undulator system for a dedicated bio-imaging beamline at the European X-ray FEL

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 29.

Advanced X-ray Imaging Techniques참고 문헌 3인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 유럽 X선 FEL에서 40세그먼트 테일러드 언듈레이터 시스템과 자기주입 및 신선한 빔 패킷 기법을 사용하여 3–13 keV 범위에서 1 TW 최대 출력과 2–10 fs 펄스 길이를 달성하는 전용 생물영상 비임베드라인을 제안한다. 이 설계는 10 nm 이상인 단백질 분자의 단일 촬영 공진형 회절 영상 촬영을 가능하게 하며, 특히 생물학적으로 중요한 3–5 keV 범위에서 구조 생물학 분야에서의 세계 최고 수준의 능력을 제공한다. 결정화 없이도 가능하다.

ABSTRACT

We describe a future possible upgrade of the European XFEL consisting in the construction of an undulator beamline dedicated to life science experiments. The availability of free undulator tunnels at the European XFEL facility offers a unique opportunity to build a beamline optimized for coherent diffraction imaging of complex molecules, like proteins and other biologically interesting structures. Crucial parameters for such bio-imaging beamline are photon energy range, peak power, and pulse duration. Key component of the setup is the undulator source. The peak power is maximized in the photon energy range between 3 keV and 13 keV by the use of a very efficient combination of self-seeding, fresh bunch and tapered undulator techniques. The unique combination of ultra-high peak power of 1 TW in the entire energy range, and ultrashort pulse duration tunable from 2 fs to 10 fs, would allow for single shot coherent imaging of protein molecules with size larger than 10 nm. Also, the new beamline would enable imaging of large biological structures in the water window, between 0.3 keV and 0.4 keV. In order to make use of standardized components, at present we favor the use of SASE3-type undulator segments. The number segments, 40, is determined by the tapered length for the design output power of 1 TW. The present plan assumes the use of a nominal electron bunch with charge of 0.1 nC. Experiments will be performed without interference with the other three undulator beamlines. Therefore, the total amount of scheduled beam time per year is expected to be up to 4000 hours.

연구 동기 및 목표

• 결정화 없이 단일 생물분자에 대한 공진형 회절 영상 촬영을 가능하게 하기 위해.
• 특히 막 단백질과 결정화되지 않은 생물분자에 대해 X선 결정학의 한계를 극복하기 위해.
• 3–13 keV 범위에서 초고출력(1 TW)과 초단파 펄스(2–10 fs)를 달성하여 영상 정밀도를 향상시키기 위해.
• 유럽 XFEL의 자유로운 언듈레이터 터널을 활용하여 기존 SASE 라인에 영향을 주지 않고 전용 비임베드라인을 구축하기 위해.
• 두 단계로 나누어 진행되는 업그레이드 전략을 통해 3–5 keV 범위에서 고출력 운영의 가능성을 입증하고, 최종적으로 생물영상 창구 전체 범위에서 1 TW 성능을 달성하기 위해.

제안 방법

• 고이득과 조절 가능한 출력을 달성하기 위해 SASE3 유형의 언듈레이터 세그먼트를 사용한 40세그먼트 언듈레이터 시스템 설계.
• 스펙트럼 브라이트니를 향상시키고 대역폭을 감소시키기 위해 자기주입 및 신선한 빔 패킷 기법 구현.
• 출력 전력을 약 20배 증가시키기 위해 포스트-포화 타이밍 조절을 적용하여 약 1 TW에 도달.
• 출력 전력 최대화와 안정성 향상을 위해 언듈레이터 길이에 따라 테일링 법칙과 전자 빔 횡방향 크기 최적화.
• 표준화된 구성 요소 사용 및 단계별 구현: 단계 1은 XTD4 터널에서 SASE3 업그레이드로 수행, 단계 2는 추가 19개 세그먼트로 하드 X선 성능 완성.
• 100회 촬영 시뮬레이션 기반으로 출력 전력, 스펙트럼, 펄스 길이, 에너지 안정성의 벤치마킹 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유럽 XFEL에서 전용 언듈레이터 비임베드라인이 3–13 keV 범위에서 1 TW 최대 출력과 2–10 fs 펄스를 달성하여 단일 촬영 단백질 영상 촬영이 가능한가?
• RQ2 자기주입, 신선한 빔 패킷, 테일러드 언듈레이터 기법의 조합이 최대 출력과 스펙트럼 품질을 극대화하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ3 1 TW 출력을 달성하면서도 스펙트럼 및 시간적 안정성을 유지하기 위해 최적의 언듈레이터 길이와 타이밍 프로파일은 무엇인가?
• RQ4 제안된 비임베드라인이 물 창구(0.3–0.4 keV)와 셀레늄(13 keV)의 K-에지에서 10 nm 이상인 큰 생물학적 구조물의 고정밀 영상 촬영을 가능하게 하는가?
• RQ5 기존 비임베드라인에 영향을 주지 않고 전체 성능을 달성하기 위한 두 단계 업그레이드 전략의 가능성은 무엇인가?

주요 결과

• 자기주입, 신선한 빔 패킷 주입, 포스트-포화 타이밍 조절의 조합을 통해 언듈레이터 시스템이 3–13 keV 범위에서 약 1 TW의 최대 출력을 달성한다.
• 펄스 길이는 2 fs에서 10 fs 사이에서 조절 가능하며, 가장 짧은 펄스가 단일 생물분자의 파괴 이전 영상 촬영을 가능하게 한다.
• 스펙트럼 대역폭은 그대로 유지되지만, 최적화된 타이밍 조절과 전자 빔 형상 제어 덕분에 전력은 약 20배 증가한다.
• 포화 상태는 11개 언듈레이터 세그먼트 후에 도달하며, 전력 최대화를 위해 타이밍 조절은 10세그먼트부터 시작된다.
• 최종 구성은 연간 총 4,000시간의 비임베드라인 시간을 지원하며, 이는 생물학 실험 전용으로만 할당된다.
• 업그레이드의 단계 1은 소프트 X선 범위(3–5 keV)에서 1 TW를 달성하고 3 keV에서 0.4 TW를 제공하며, 단계 2는 추가 19개 언듈레이터 세그먼트로 인해 전체 3–13 keV 범위에서 1 TW 성능을 확보한다.