[논문 리뷰] Control of the amplification process in baseline XFEL undulator with mechanical SASE switchers

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 01. 21.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 유럽 XFEL의 기본 SASE2 언듈레이터에서 한 개의 전자 빔을 사용하여 0.1 nm, 0.15 nm, 0.2 nm 파장에서 동시에 다색 X선 펄스를 생성할 수 있도록, 셸터와 자석 카니발을 통해 증폭 과정을 제어하는 기계적 SASE 스위처 시스템을 제안한다. 서로 다른 언듈레이터 세그먼트에서 SASE 레이저를 선택적으로 켤/끄를 수 있도록 함으로써, 0.1 nm, 0.15 nm, 0.2 nm 파장에서 독립적인 포화 상태를 달성할 수 있으며, 이는 다중 사용자 시설에서 별도의 빔라인으로의 광자 빔 분배를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The magnetic gap of the baseline XFEL undulators can be varied mechanically for wavelength tuning. In particular, the wavelength range 0.1 nm - 0.4 nm can be covered by operating the European XFEL with the SASE2 undulator. The length of the SASE2 undulator (256.2 m) is sufficient to independently generate three pulses of different radiation wavelengths at saturation. Normally, if a SASE FEL operates in saturation, the quality of the electron beam is too bad for generation of SASE radiation in the subsequent part of undulator which is resonant at a few times longer wavelength. The new method of SASE undulator-switching based on the rapid switching of the FEL amplification process proposed in this paper is an attempt to get around this obstacle. Using mechanical SASE shutters installed within short magnetic chicanes in the baseline undulator, it is possible to rapidly switch the FEL photon beam from one wavelength to another, providing simultaneous multi-color capability. Combining this method with a photon-beam distribution system can provide an efficient way to generate a multi-user facility.

연구 동기 및 목표

• 유럽 XFEL의 기본 SASE2 언듈레이터에서 0.1 nm, 0.15 nm, 0.2 nm의 세 가지 서로 다른 X선 파장을 동시에 생성하는 것.
• 포화된 SASE 복사로 전자 빔 품질이 악화되어 더 짧은 파장에서의 후속 SASE 레이저 작동이 불가능해지는 제한을 극복하는 것.
• 기계적 셸터와 자석 카니발을 사용하여 한 개의 언듈레이터 내에서 FEL 증폭 과정을 켤/끄를 수 있는 방법을 개발하는 것.
• 다양한 실험실에 동시에 다색 펄스를 독립적으로 공급할 수 있도록 함으로써 다중 사용자 XFEL 시설을 지원하는 것.
• X선 거울과 수평 오프셋 옵티컬을 사용하여 세 가지 서로 다른 파장을 별도의 빔라인으로 분리하고 도달시키는 광자 빔 분배 시스템을 설계하는 것.

제안 방법

• 기계적 SASE 스위처가 SASE2 언듈레이터의 전략적 위치에 설치되며, 각각 약한 자석 카니발과 기계적 셸터로 구성된다.
• 자석 카니발은 이전 SASE 증폭으로 인한 전자 빔 조절을 수평 방향으로 이동시켜 뿌리며, 후속 레이저 작동을 위한 빔 품질을 유지한다.
• 셸터는 첫 번째 언듈레이터 세그먼트에서 발생한 SASE 복사를 전송할지 또는 흡수할지 제어하여, 하류 세그먼트에서의 증폭 과정을 선택적으로 활성화할 수 있다.
• 시스템은 1 Hz 반복 주기로 작동하며, 스위칭 시간이 100 ms 이내이므로, 삼색 작동을 위한 순차적 켤/끄/켬 사이클을 가능하게 한다.
• 광자 빔 분리는 각 언듈레이터 세그먼트 후에 설치된 X선 거울을 통해 달성되며, 수평 방향으로 파장이 분리된다.
• 수평 오프셋(약 3 mm)은 9 mm 진공 챔버 개구부 내에 수용되면서도 실험실에서 충분한 빔 분리를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 긴 언듈레이터의 서로 다른 세그먼트에서 SASE 증폭 과정을 독립적으로 제어하여 동시에 여러 X선 파장을 생성할 수 있는가?
• RQ2 기계적 셸터와 자석 카니발이 초기 포화 이후에도 전자 빔 품질을 유지할 수 있는가? 이는 더 짧은 파장에서의 후속 SASE 레이저 작동을 가능하게 하는가?
• RQ3 언듈레이터 시스템 내에서 수평 분리 기법을 사용하여 세 가지 서로 다른 X선 펄스를 별도의 빔라인으로 분배하는 것이 실현 가능한가?
• RQ4 실용적인 다중 사용자 XFEL 시설을 지원하기 위해 필요한 스위칭 시간과 작동 주파수는 무엇인가?
• RQ5 X선 거울과 오프셋 옵티컬을 사용하여 광자 빔 분배 시스템이 세 가지 파장 간에 충분한 스펙트럼적 및 공간적 분리를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 이 방법은 동일한 전자 빔과 언듈레이터 길이 내에서 0.1 nm, 0.15 nm, 0.2 nm의 세 가지 서로 다른 X선 파장을 동시에 생성할 수 있다.
• 셸터가 꺼져 있을 경우, 두 번째 언듈레이터 세그먼트는 0.2 nm 파장에서 포화 상태에 도달하며 피크 전력이 10 GW에 이른다. 이는 효율적인 시드된 증폭을 의미한다.
• 셸터가 켜져 있을 경우, 두 번째 세그먼트는 선형 SASE 영역에서 작동하여 전력이 0.1 GW에 그치지만, 더 짧은 파장에서의 후속 레이저 작동을 위한 전자 빔 품질을 유지한다.
• 첫 번째 스위치 이후에도 전자 빔은 후속 증폭을 위한 양호한 '활성 매체'로 남아 있으며, 하류 세그먼트에서 0.15 nm 및 0.1 nm 파장에서 성공적인 레이저 작동이 가능하다.
• 광자 빔 분리는 각 언듈레이터 세그먼트 후에 설치된 X선 거울을 통해 달성되며, 약 3 mm의 수평 오프셋이 실험실에서 밀리미터 수준의 분리를 가능하게 한다.
• 시스템은 1 Hz 반복 주기로 작동하며 스위칭 시간이 100 ms 이내이므로, 실용적인 켤/끄/켬 사이클을 통해 삼색 작동을 지원한다.