[논문 리뷰] Extension of self-seeding to hard X-rays >10 keV as a way to increase user access at the European XFEL

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 24.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 유럽 XFEL에서 16 keV에서 100 GW, 변형 없음, 단색 경시 경질 X선을 생성하기 위해 자가 씨앗화 기술과 언듈레이터 테이퍼링을 단일 결정 단색화기와 함께 확장하는 것을 제안한다. 높은 단색성과 피에조 장치를 통한 빠른 결정 스위칭을 활용하여, 동일한 고반복률 빔을 동시에 최대 10개의 독립된 실험에 분배할 수 있는 광자 빔 분배 시스템을 구현함으로써, 기존 시설을 수정하지 않고도 사용자 용량을 크게 증가시킨다.

ABSTRACT

We propose to use the self-seeding scheme with single crystal monochromator at the European X-ray FEL to produce monochromatic, high-power radiation at 16 keV. Based on start to end simulations we show that the FEL power of the transform-limited pulses can reach about 100 GW by exploiting tapering in the tunable-gap baseline undulator. The combination of high photon energy, high peak power, and very narrow bandwidth opens a vast new range of applications, and includes the possibility to considerably increase the user capacity and fully exploit the high repetition rate of the European XFEL. In fact, dealing with monochromatic hard X-ray radiation one may use crystals as deflectors with minimum beam loss. To this end, a photon beam distribution system based on the use of crystals in the Bragg reflection geometry is proposed for future study and possible extension of the baseline facility. They can be repeated a number of times to form an almost complete (one meter scale) ring with an angle of 20 degrees between two neighboring lines. The reflectivity of crystal deflectors can be switched fast enough by flipping the crystals with piezo-electric devices similar to those for X-ray phase retarders at synchrotron radiation facilities. It is then possible to distribute monochromatic hard X-rays among 10 independent instruments, thereby enabling 10 users to work in parallel. The unmatched repetition rate of the European XFEL would be therefore fully exploited.

연구 동기 및 목표

• SASE FEL 복사의 광역성으로 인해 유럽 XFEL의 사용자 접근성이 제한되는 문제를 해결하기 위해.
• 다수의 사용자에게 동시에 고반복률, 고출력 X선 펄스를 효율적으로 분배하는 데 도전하는 것.
• 유럽 XFEL의 10 Hz 반복률을 최대로 활용하기 위해 다중 사용자 빔라인 분배에 적합한 단색 빔을 만들기 위해.
• 브라그 반사 기하학에서 피에조 전기 장치를 사용한 결정 빛편향기 기반의 확장 가능하고 빠른 스위칭 광자 빔 분배 시스템을 개발하기 위해.
• 고에너지 광자(>10 keV)와 좁은 스펙트럼 대역폭이 결정 기반 빔 라우팅에서 최소 흡수와 높은 반사율을 가능하게 함을 입증하기 위해.

제안 방법

• 16 keV에서 변형 없음 펄스의 스펙트럼 대역폭을 좁히기 위해 단일 결정 단색화기를 사용한 이중 단계 자가 씨앗화 기법을 구현한다.
• 가변 갭 기준 언듈레이터에서 테이퍼링을 적용하여 단색 씨앗을 약 100 GW의 피크 파워 수준까지 증폭한다.
• 초기 복사의 2차 고조파를 새로운 씨앗으로 사용하고, 0.075 nm(16 keV)로 조정된 테이퍼링 갭을 가진 두 번째 언듈레이터 세그먼트에서 증폭한다.
• 피에조 전기 장치를 통해 반사율을 빠르게 제어할 수 있는 브라그 반사 기하학에서의 피에조 전기로 스위칭되는 결정 빛편향기를 기반으로 한 빔 분배 시스템을 설계한다.
• 다중 결정 빛편향기를 거의 원형으로 배열(연속된 라인 간 20° 간격)하여 빔을 10개의 독립된 기기로 라우팅한다.
• 약 0.007%의 좁은 스펙트럼 대역폭과 16 keV X선의 높은 침투성 덕분에 0.05 mm 두께의 다이아몬드 결정을 사용해 약 99%의 반사율을 달성하고 흡수 손실를 최소화할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기 씨앗화와 언듈레이터 테이퍼링을 10 keV 이상의 경질 X선에 확장하여 고피크 파워와 좁은 대역폭을 달성할 수 있는가?
• RQ2 기존 기준 언듈레이터 구성 변경 없이 유럽 XFEL에서 16 keV에서 단색, 고출력 X선 펄스를 생성할 수 있는가?
• RQ3 브라그 기하학에서의 결정 기반 빛편향기가 고에너지 광자에서 빠르고 효율적이며 손실이 적은 빔 스위칭을 다중 사용자 운영에 가능하게 하는가?
• RQ4 다중 실험에 대한 단색 빔 분배를 통해 유럽 XFEL의 고반복률이 얼마나 잘 활용될 수 있는가?
• RQ5 자기 씨앗화와 언듈레이터 테이퍼링을 16 keV에서 조합했을 때 얻을 수 있는 변형 없음 펄스의 피크 파워와 스펙트럼 순도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 제안된 기법은 자기 씨앗화와 언듈레이터 테이퍼링을 통해 16 keV(0.075 nm)에서 약 100 GW의 피크 파워를 갖는 변형 없음 X선 펄스를 달성한다.
• 시작에서 끝까지의 시뮬레이션 결과, FEL 출력 에너지가 100 GW에서 포화 상태에 도달하고 스펙트럼 대역폭이 약 0.007%로 변형 없음 펄스임을 확인한다.
• 브라그 반사 기하학에서 0.05 mm 두께의 결정 빛편향기는 16 keV X선에 대해 약 99%의 반사율과 4% 이하의 흡수 손실을 기록한다.
• 빛편향기 시스템은 피에조 전기 액추에이터를 통해 반사율을 제어함으로써 단색 X선 빔을 10개의 독립된 기기로 라우팅할 수 있다.
• 결정 빛편향기의 각도 수용각이 빔 분산과 일치하여, 최소한의 왜곡이나 손실로 전체 펄스를 편향시킬 수 있다.
• 시스템은 빔라인 간 빠른 스위칭(1ms 이내)을 지원하여 10 Hz 고반복률에서 효율적인 다중 사용자 운영이 가능하다.