[논문 리뷰] Extension of SASE bandwidth up to 2% as a way to increase the efficiency of protein structure determination by x-ray nanocrystallography at the European XFEL

Svitozar Serkez, Vitali Kocharyan외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 20.

Enzyme Structure and Function인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 유럽 XFEL의 SASE 대역폭을 0.25 nC 전자 빔을 45 kA 피크 전류로 강한 압축을 통해 2%로 증가시킴으로써, X선 나노결정학에서 단일 회절 스냅샷당 감지 가능한 브라그 피크 수를 증가시켜 단백질 구조 결정의 효율성을 크게 향상시킬 수 있음을 보여준다. 시뮬레이션 결과, 정상 작동 대비 대역폭이 10배 증가하며, 6 keV에서 최대 1 TW 피크 전력과 2.5 mJ 펄스 에너지를 달성할 수 있으며, 이는 나노결정학에 이상적인 조건을 제공하고 인덱싱 성공률을 향상시킨다.

ABSTRACT

Femtosecond x-ray nanocrystallography exploiting XFEL radiation is an emerging method for protein structure determination using crystals with sizes ranging from a few tens to a few hundreds nanometers. Crystals are randomly hit by XFEL pulses, producing diffraction patterns at unknown orientations. One can determine these orientations by studying the diffraction patterns themselves, i.e. by indexing the Bragg peaks. The number of indexed individual images and the SASE bandwidth are inherently linked, because increasing the number of Bragg peaks per individual image requires increasing the bandwidth of the spectrum. This calls for a few percent SASE bandwidth, resulting in an increase in the number of indexed images at the same number of hits. Based on start-to-end simulations for the baseline of the European XFEL, we demonstrate here that it is possible to achieve up to a tenfold increase in SASE bandwidth, compared with the nominal mode of operation. This provides a route for further increasing the efficiency of protein structure determination at the European XFEL. We illustrate this concept with simulations of lysozyme nanocrystals.

연구 동기 및 목표

• X선 나노결정학에서 스냅샷당 브라그 피크 수가 적어 인덱싱 성공률과 데이터 처리 효율성이 제한되는 문제를 해결하기 위해.
• 기본 0.2% 대비 SASE 대역폭을 확장함으로써 나노결정의 인덱싱 가능한 회절 패atters 수가 유의미하게 향상되는지 탐색하기 위해.
• 시작부터 끝까지의 시뮬레이션을 통해 전자 빔 압축을 45 kA 피크 전류로 수행할 경우 SASE 대역폭이 10배 증가하여 2%에 도달할 수 있음을 입증하기 위해.
• 나노결정학 응용 분야에서 2–6 keV 범위에서 1 TW 피크 전력과 2.5 mJ 펄스 에너지를 달성할 수 있는지 검증하기 위해.
• 추가 하드웨어 없이 기존의 언두레이터 인프라를 활용하여 이와 같은 대역폭 증가 모드를 실현 가능하게 할 수 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 21개 언두레이터 세그먼트를 포함하는 SASE3 언두레이터 빔라인에 중점을 두고, 유럽 XFEL 기본 구조에 대한 시작부터 끝까지의 시뮬레이션을 수행하였다.
• 0.25 nC 전하의 전자 빔을 사용하여 45 kA 피크 전류로 압축하여 강한 웨이크필드 효과를 유도함으로써 SASE 복사 대역폭을 넓혔다.
• 100회의 단일 스포트 실현 사례에 대한 통계적 평균을 사용하여 언두레이터 길이에 따른 복사 전력, 에너지 및 스펙트럼 대역폭의 변화를 모델링하였다.
• 나노결정학에 적합한지 평가하기 위해 출력 복사의 공간적 및 스펙트럼적 분포(빔 크기, 분산, 단위 면적당 에너지 등)를 분석하였다.
• 리소자임 나노결정의 회절 반응을 2% 대역폭 펄스 조건에서 시뮬레이션하여 피크 수와 인덱싱 잠재력 평가를 수행하였다.
• 정상 작동(0.2% 대역폭)과의 결과 비교를 통해 피크 감지 및 데이터 처리 효율성 향상 정도를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유럽 XFEL의 SASE 대역폭을 2%로 증가시키면 나노결정학에서 단일 스냅샷당 감지 가능한 브라그 피크 수가 유의미하게 향상되는가?
• RQ2 45 kA 피크 전류로 전자 빔을 압축할 경우 도달 가능한 최대 SASE 대역폭은 얼마이며, 그에 따른 복사 파arameter는 무엇인가?
• RQ3 2% 대역폭 펄스는 정상 작동의 0.2% 대역폭 모드에 비해 더 많은 인덱싱 가능한 회절 패턴을 제공하는가?
• RQ4 기존 언두레이터 인프라만을 사용하여 2–6 keV 범위에서 요구되는 1 TW 피크 전력과 2.5 mJ 펄스 에너지를 달성할 수 있는가?
• RQ5 고피크 전류 및 넓은 대역폭에서 운영할 경우 비트 품질과 스펙트럼 특성에 어떤 상충 요소가 존재하는가?

주요 결과

• 시작부터 끝까지의 시뮬레이션을 통해 전자 빔 압축을 45 kA 피크 전류로 수행함으로써 SASE 대역폭이 0.2%에서 2%로 10배 증가하는 것이 확인되었다.
• 출력 복사 펄스 에너지는 약 2.5 mJ이며, 3 fs 펄스 지속시간으로 2–6 keV 복사 에너지 범위에서 최대 1 TW 피크 전력을 제공한다.
• 복사 빔은 수직 크기 약 50 μm, 수평 크기 약 100 μm이며, 횡방향 전자 빔 비대칭으로 인해 비대칭적인 분산을 보였다.
• 평균 SASE 스펙트럼은 상대 대역폭 2%를 보였으며, 100회의 단일 스포트 실현 사례 동안 에너지 변동 및 전력 변화가 안정적이었다.
• 2% 대역폭 모드는 스냅샷당 브라그 피크 수를 크게 증가시켜 나노결정학에서 인덱싱 성공률과 데이터 처리 효율성 향상에 직접 기여한다.
• 제안된 운영 모드는 추가 하드웨어 없이 기존 최적화된 전자 빔 압축 및 SASE3 언두레이터 구성만으로 실현 가능하다.