[논문 리뷰] Proposal to generate 10 TW level femtosecond x-ray pulses from a baseline undulator in conventional SASE regime at the European XFEL

Svitozar Serkez, Vitali Kocharyan외 3명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 02.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 기본 설계에서 하드웨어 수정 없이 초고정밀 전자 빔(45 kA)을 활용하여 유럽 XFEL에서 10 TW 수준, 3 fs 길이의 X선 펄스를 생성하는 방법을 제안한다. 0.25 nC 전자 빔을 압축하고 언두레이터 테이퍼링을 적용함으로써 정상적인 SASE 영역에서 피크 전력이 100배 증가하여 최대 5 TW에 도달하며, 3–5 keV X선 에너지에서 단일 생분자 영상에 적합한 1% 복사 대역폭을 확보한다.

ABSTRACT

Output characteristics of the European XFEL have been previously studied assuming an operation point at 5 kA peak current. In this paper we explore the possibility to go well beyond such nominal peak current level. In order to illustrate the potential of the European XFEL accelerator complex we consider a bunch with 0.25 nC charge, compressed up to a peak current of 45 kA. An advantage of operating at such high peak current is the increase of the x-ray output peak power without any modification to the baseline design. Based on start-to-end simulations, we demonstrate that such high peak current, combined with undulator tapering, allows one to achieve up to a 100-fold increase in a peak power in the conventional SASE regime, compared to the nominal mode of operation. In particular, we find that 10 TW-power level, femtosecond x-ray pulses can be generated in the photon energy range between 3 keV and 5 keV, which is optimal for single biomolecule imaging. Our simulations are based on the exploitation of all the 21 cells foreseen for the SASE3 undulator beamline, and indicate that one can achieve diffraction to the desired resolution with 15 mJ (corresponding to about 3e13 photons) in pulses of about 3 fs, in the case of a 100 nm focus at the photon energy of 3.5 keV.

연구 동기 및 목표

• 기본 설계에서의 하드웨어 수정 없이, 특히 피크 전류를 초과하는 성능 가능성을 탐색한다.
• 단일 생분자 영상에 필요한 충분한 X선 피크 전력(10 TW)을 확보하기 위한 '파손 이전 회절' 방법에 도전 과제를 해결한다.
• 고피크 전류 운용과 언두레이터 테이퍼링을 조합하여 기존 SASE 영역에서 SASE 출력 전력을 크게 향상시킬 수 있는지 확인한다.
• 구조 생물학 응용 분야에 적합한 충분한 광자 조도와 적절한 대역폭을 갖춘 피코초 급 X선 펄스를 생성할 수 있는지 평가한다.
• 결과적으로 1% 복사 대역폭이 광학적 순도가 요구되지 않는 응용 분야(예: 생분자 영상)에 대해 수용 가능한지 평가한다.

제안 방법

• 선형가속기에서 언두레이터 SASE3까지의 전자 빔 역학을 모의하기 위해 종단간 시뮬레이션을 수행하였으며, 공간 전하 효과, RF 웨이크필드, 일관된 동기복사 효과를 포함한다.
• 0.25 nC 전자 빔을 45 kA 피크 전류로 압축하고, 약 4 μm의 정규화된 슬라이스 에미턴스를 확보하기 위해 빔 파rameter를 최적화하였다.
• 전자 빔 에너지가 FEL 상호작용 중 감소함에 따라 공명 조건을 유지하기 위해 21개 언두레이터 세포 중 12개에 대해 이산적 간격 조정을 통한 언두레이터 테이퍼링을 적용하였다.
• 두 부분으로 구성된 언두레이터 구조를 사용: SASE 포화를 달성하기 위한 9개의 균일한 자기장 세포(약 0.5 TW 도달), 이후 12개의 테이퍼드 세포를 통해 출력 전력을 약 5 TW로 증가시킴.
• 안정성 평가 및 출력 전력, 스펙트럼, 에너지 변동성을 특성화하기 위해 100회의 단일 스포트 실현 사례에 대한 통계 평균을 사용하였다.
• 초점 가능성과 실험적 활용 가능성을 평가하기 위해 복사 펄스 에너지 분포와 각도 분산을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기본 설계를 초월한 하드웨어 추가 없이, 유럽 XFEL이 기존 SASE 영역에서 10 TW 수준의 X선 펄스를 생성할 수 있는가?
• RQ2 초고정밀 전류 전자 빔과 결합된 언두레이터 테이퍼링이 SASE 출력 전력 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 고피크 전류로 인한 큰 에너지 치르프(에너지 편이)가 복사 대역폭에 미치는 영향은 무엇이며, 생분자 영상에 있어 수용 가능한가?
• RQ4 슬라이스 에미턴스와 에너지 분산이 증가한 상태에서 45 kA 피크 전류로 운용할 경우, SASE 포화 길이가 실용적 한계 내에 유지될 수 있는가?
• RQ5 결과적으로 1% 복사 대역폭은 단일 생분자 회절 영상에서 고대비를 확보하기 위해 단색화 장치 없이도 충분한가?

주요 결과

• 피크 전류를 45 kA로 증가시킴으로써 기존 SASE 영역에서 피크 전력이 100배 증가하고, 최대 5 TW의 출력 전력에 도달할 수 있다.
• 고피크 전류 조건에서도 슬라이스 에미턴스 약 4 μm를 유지하면서 SASE3 언두레이터의 첫 9개 세포에서 SASE 포화가 약 0.5 TW 수준에서 달성된다.
• 마지막 12개 세포에 걸쳐 언두레이터 테이퍼링을 적용함으로써 출력 전력이 0.5 TW에서 약 5 TW로 증가하여, 하드웨어 업그레이드 없이도 상당한 향상이 가능함을 입증하였다.
• 전자 빔의 큰 에너지 치르프로 인해 복사 대역폭이 약 1%에 도달하며, 광자 조도가 스펙트럼 순도보다 더 중요한 응용 분야(예: 단일 생분자 영상)에 대해 수용 가능한 수준이다.
• 3.5 keV X선 에너지에서 3 fs 펄스 길이로 약 15 mJ의 펄스 에너지(약 3×10¹³개 광자)를 생성할 수 있으며, 100 nm 초점 조건에서 원자 해상도를 확보하는 데 적합하다.
• 제안된 방법은 고피크 전류 운용 조건에서도 안전 범위 내 약 9개 언두레이터 세포에서 SASE 포화를 유지함으로써, 증가한 종방향 속도 분산과 에미턴스에도 불구하고 고피크 전류 운용의 실현 가능성을 확인한다.