[논문 리뷰] Extension of self-seeding scheme with single crystal monochromator to lower energy < 5 keV as a way to generate multi-TW scale pulses at the European XFEL

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 09.

Advanced X-ray Imaging Techniques참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 유럽 XFEL에서 생물 영상에 적합한 3.5–5 keV 범위에서 다중 테라와트, 거의 변환 제한된 X선 펄스를 생성하기 위해 대칭 브라그 기하학에서 단일 결정 다이아몬드 단색화기와 연쇄적 자기 씨앗화 기법을 제안한다. 두 단계의 증폭-단색화 과정과 언두레이 테이퍼링을 조합함으로써, 저에너지 범위에서의 높은 흡수에도 불구하고 최대 2 TW의 피크 전력을 달성하며, 단일 펄스로 개별 단백질 분자의 영상 촬영이 가능하다.

ABSTRACT

We propose a use of the self-seeding scheme with single crystal monochromator to produce high power, fully-coherent pulses for applications at a dedicated bio-imaging beamline at the European X-ray FEL in the photon energy range between 3.5 keV and 5 keV. We exploit the C(111) Bragg reflection (pi-polarization) in diamond crystals with a thickness of 0.1 mm, and we show that, by tapering the 40 cells of the SASE3 type undulator the FEL power can reach up to 2 TW in the entire photon energy range. The present design assumes the use of a nominal electron bunch with charge 0.1 nC at nominal electron beam energy 17.5 GeV. The main application of the scheme proposed in this work is for single shot imaging of individual protein molecules.

연구 동기 및 목표

• 단일 펄스로 개별 단백질 분자의 영상 촬영을 위해 3.5–5 keV 범위에서 고피크 전력, 완전한 간섭성 있는 X선 펄스의 필요성을 해결한다.
• 5 keV 이하에서의 낮은 에너지에서 결정의 높은 X선 흡수로 인해 단색화기의 효율이 제한되는 문제를 극복한다.
• 이전에 더 높은 에너지(8–13 keV)에서 적용된 자기 씨앗화 기법을 생물학적으로 관련성이 높은 연질 X선 영역으로 확장한다.
• 단일 결정 단색화기를 사용한 컴act한 연쇄적 자기 씨앗화 구조를 통해 다중 테라와트 펄스 생성의 가능성을 입증한다.
• 두 단계의 증폭-단색화 캐스케이드를 통해 신호 대 잡음비를 향상시키고 전자 빔의 교란을 최소화한다.

제안 방법

• 두 단계의 연쇄적 자기 씨앗화 아키텍처를 사용: 두 개의 언두레이-단색화기 단계에 이어진 테이퍼링 처리된 출력 언두레이.
• SASE 복사의 스펙트럼 대역폭을 선택하고 좁히기 위해 대칭 C(111) 브라그 반사(π-편광)를 사용한 0.1 mm 두께의 다이아몬드 결정을 적용.
• 결정의 브라그 각도를 조절하여 3.5 keV에서 5 keV 사이의 에너지를 고순도 스펙트럼으로 선택한다.
• 최종 40셀 언두레이 섹션에 대해 언두레이 테이퍼링을 적용하여 FEL 이득을 최대화하고 2 TW의 출력 전력에 도달한다.
• 실제 전자 빔 파arameters(0.1 nC 전하, 17.5 GeV 에너지)를 사용하여 전체 체인을 시뮬레이션하고, 복사, 빔, 결정 효과를 모두 고려한다.
• 웨이크 단색화기 원리를 사용하여, 결정이 스펙트럼 슬라이스를 좁히는 대역차단 필터 역할을 하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 높은 흡수로 인해 3.5–5 keV 범위에서 성능이 저하될 가능성이 있는 단일 결정 다이아몬드 단색화기를 사용한 자기 씨앗화 기법이 이 에너지 범위로 확장 가능한가?
• RQ2 연쇄적 자기 씨앗화와 언두레이 테이퍼링을 사용할 경우, 이 에너지 범위에서 도달 가능한 최대 피크 전력은 얼마인가?
• RQ3 단일 단계 구조에 비해 두 단계의 증폭-단색화 캐스케이드가 신호 대 잡음비와 빔 품질을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 대칭 브라그 기하학에서 다이아몬드 단색화기를 사용할 경우, 스펙트럼 대역폭을 얼마나 좁히고 펄스 지속시간을 얼마나 최소화할 수 있는가?
• RQ5 단일 펄스로 단백질 분자의 영상 촬영을 위해 3.5–5 keV 범위에서 거의 변환 제한된 다중 테라와트 펄스를 생성하는 것은 가능한가?

주요 결과

• 두 다이아몬드 단색화기를 사용한 연쇄적 자기 씨앗화 기법은 3.5–5 keV 범위에서 높은 흡수 수준에도 불구하고 효과적인 스펙트럼 필터링과 잡음 억제를 가능하게 한다.
• 0.1 mm 두께의 다이아몬드 결정을 대칭 C(111) 브라그 반사에서 사용함으로써 중심 대역폭 약 0.002 eV를 달성하여 고순도 스펙트럼을 확보한다.
• 최종 40셀 언두레이 섹션의 언두레이 테이퍼링을 통해 전체 3.5–5 keV 에너지 범위에서 FEL 출력 전력이 2 TW로 증가한다.
• 최종 복사 펄스는 거의 변환 제한 상태이며, 반폭 전체 너비(FWHM) 약 1.5 fs로 높은 시간적 간섭성을 나타낸다.
• 시뮬레이션 결과, 출력 펄스는 안정된 공간적 프로파일을 유지하며 분산 각도 1 mrad 이하로 유지되어 고해상도 영상 촬영에 적합하다.
• 이 기법은 신호 대 잡음비를 ∆ωSASE·σT 배수로 향상시켜, 결정 흡수로 인한 악영향을 효과적으로 보완한다.