[논문 리뷰] Cost-effective way to enhance the capabilities of the LCLS baseline

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 08. 18.

Advanced X-ray Imaging Techniques참고 문헌 8인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 LCLS 기본 설정에서 푸리에 변환 한계에 도달하는 완전한 간섭성 X선 펄스를 달성하기 위해 4미터 길이의 자석 카니브에서 작고 단일 결정 단편 분광계를 사용한 비용 효율적인 단일 뭉치 자기 seeding 방법을 제안한다. 이 방법은 정밀한 시간 동기화가 필요로 하지 않는 고출력(최대 100 GW), 협대역 복사 방출을 가능하게 하여, 전체 편광 제어, 결정 기반 빔 굴절, 피코초 수준의 펌프-프로브 실험과 같은 고급 기능을 해방한다.

ABSTRACT

This paper discusses the potential for enhancing the LCLS hard X-ray FEL capabilities. In the hard X-ray regime, a high longitudinal coherence will be the key to such performance upgrade. The method considered here to obtain high longitudinal coherence is based on a novel single-bunch self-seeding scheme exploiting a single crystal monochromator, which is extremely compact and can be straightforwardly installed in the LCLS baseline undulator. We present simulation results dealing with the LCLS hard X-ray FEL, and show that this method can produce fully-coherent X-ray pulses at 100 GW power level. With the radiation beam monochromatized down to the Fourier transform limit, a variety of very different techniques leading to further improvements of the LCLS performance become feasible. In particular, we describe an efficient way for obtaining full polarization control at the LCLS hard X-ray FEL. We also propose to exploit crystals in the Bragg reflection geometry as movable deflectors for the LCLS X-ray transport systems. The hard X-ray beam can be deflected of an angle of order of a radian without perturbations. The monochromatization of the output radiation constitutes the key for reaching such result. Finally, we describe a new optical pump - hard X-ray probe technique which will allow time-resolved studies at the LCLS baseline on the femtosecond time scale. The principle of operation of the proposed scheme is essentially based on the use of the time jitter between pump and probe pulses. This eliminates the need for timing XFELs to high-power conventional lasers with femtosecond accuracy.

연구 동기 및 목표

• 주요 인프라 변경 없이 LCLS 경직성 X선 FEL 펄스의 종방향 간섭성을 향상시키기 위해.
• 작고 저비용의 업그레이드를 통해 100 GW 수준의 고출력, 완전한 간섭성 X선 출력을 가능하게 하기 위해.
• 편광 제어, 빔 굴절, 시간 해상도가 높은 펌프-프로브 분광법과 같은 새로운 실험 기능을 해방하기 위해.
• 기존 LCLS 기본 설정 구성에서 최소한의 수정으로 자기 seeding 방법의 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 시간 해상도 실험에서 펌프 및 프로브 레이저 간 초정밀 시간 동기화에 의존하는 것을 줄이기 위해.

제안 방법

• LCLS 기본 설정의 언두레이터 내에서 4미터 길이의 자석 카니브에 브라그 전파 기하학에서 작동하는 단일 결정 분광계를 설치한다.
• 이 방법은 자기 seeding을 통해 한 개의 전자 뭉치에서 시 sema 펄스를 생성함으로써 시간 지연 및 동기 문제를 피한다.
• 분광계는 SASE FEL 복사에서 좁은 대역폭을 선택하여 스펙트럼 압축을 통해 푸리에 변환 한계에 도달한다.
• 다음으로, 마지막 10셀에 약 1%의 타이밍을 조절하여 테일러드된 언두레이터 세그먼트를 통해 단색 시드를 100 GW 피크 전력으로 증폭시킨다.
• 펌프-프로브 실험을 위해 서로 다른 언두레이터 세그먼트에서 유래한 두 개의 SASE 펄스를 공간적으로 분리하기 위해 X선 거울을 사용한다.
• 단색 빔을 손상시키지 않고 빔라인을 교란하지 않고 빔을 조절하기 위해 브라그 반사 기하학에서 작동하는 결정 빔 굴절기 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 작고 단일 결정 분광계를 사용한 단일 뭉치 자기 seeding 방법이 LCLS 기본 설정에서 푸리에 변환 한계에 도달하는 완전한 간섭성 X선 펄스를 달성할 수 있는가?
• RQ2 이 방법이 전자 빔 회피 또는 이중 뭉치 방법 없이도 고출력(100 GW) 작동을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 분광화 과정이 추가 비용을 최소화하면서 실험실에서 전체 편광 제어를 가능하게 하는 방식은 무엇인가?
• RQ4 단색 X선이 결정 기반 굴절기를 사용한 빔 운반 및 새로운 실험실 구성에 기여할 수 있는가?
• RQ5 펌프 및 프로브 레이저 간 피코초 수준의 정밀 시간 동기화 없이도 시간 해상도 펌프-프로브 실험을 수행할 수 있는가?

주요 결과

• 자기 seeding 방법은 푸리에 변환 한계에 도달하는 완전한 간섭성 X선 펄스를 달성하여 종방향 간섭성의 급격한 향상을 이룬다.
• 두 번째 언두레이터 세그먼트(12셀)에서 약 1.5 GW의 피크 전력이 달성되었으며, 신규 뭉치 기법을 사용할 경우 최대 10 GW까지 향상 가능하다.
• 이 방법을 고전하 모드(예: 0.25 nC)에 적용할 경우 피크 브릴랑스가 약 두 배 증가한다.
• 단색화 덕분에 후속 X선 위상 지연기 사용으로 전체 편광 제어가 가능해지며, 추가 비용을 최소화할 수 있다.
• 브라그 반사 기하학에서 작동하는 결정 굴절기는 단색 펄스의 좁은 대역폭 덕분에 빔 품질에 영향을 주지 않고 최대 1라디안까지 빔을 굴절시킬 수 있다.
• 공간적으로 분리된 SASE 펄스를 사용한 펌프-프로브 설정은 명확한 스펙트럼 분리(0.1501 nm 및 0.1527 nm)를 달성하여, 레이저 간 정밀한 시간 동기화 없이도 시간 해상도 연구가 가능하다.