[논문 리뷰] Scheme for femtosecond-resolution pump-probe experiments at XFELs with two-color ten GW-level X-ray pulses

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 01. 20.

Advanced X-ray Imaging Techniques참고 문헌 2인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 단일 전자 빔을 통해 수정된 언듈레이터 구성을 통해 두 가지 색의 10 GW 수준의 X선 펄스를 유도하고, XFEL에서 피코초 해상도의 펌프-프로브 기법을 제안한다. 한 개의 언듈레이터 세그먼트를 전자 빔의 반을 지연시키는 자기 카이칸으로 교체함으로써, 서로 다른 파장에서 시간적으로 정렬된 고피크 전력의 X선 펄스를 동시에 생성할 수 있으며, 이로 인해 피코초 이내의 해상도와 영 타이밍 제로 잡음이 가능하다.

ABSTRACT

This paper describes a scheme for pump-probe experiments that can be performed at LCLS and at the European XFEL and determines what additional hardware development will be required to bring these experiments to fruition. It is proposed to derive both pump and probe pulses from the same electron bunch, but from different parts of the tunable-gap baseline undulator. This eliminates the need for synchronization and cancels jitter problems. The method has the further advantage to make a wide frequency range accessible at high peak-power and high repetition-rate. An important feature of the proposed scheme is that the hardware requirement is minimal. Our technique is based in essence on the "fresh" bunch technique. For its implementation it is sufficient to substitute a single undulator module with short magnetic delay line, i.e. a weak magnetic chicane, which delays the electron bunch with respect to the SASE pulse of half of the bunch length in the linear stage of amplification. This installation does not perturb the baseline mode of operation. We present a feasibility study and we make exemplifications with the parameters of the SASE2 line of the European XFEL.

연구 동기 및 목표

• XFEL에서 이색 X선 펄스를 사용하여 피코초 이내의 시간 해상도를 확보한 펌프-프로브 실험을 가능하게 한다.
• X선 펌프-프로브 실험에서 펌프 펄스와 프로브 펄스 간 정밀한 동기화 문제를 해결한다.
• 기존의 비드 역학 및 언듈레이터 인프라를 활용하여 하드웨어 수정을 최소화한다.
• 초고속 동역학 연구를 위한 고피크 전력(10 GW 수준)과 고반복률을 달성한다.
• 기본 XFEL 운영 모드와의 호환성을 확보하면서 기계 성능에 영향을 주지 않는다.

제안 방법

• 조절 가능한 갭을 가진 언듈레이터에서 두 단계의 FEL 과정을 통해 단일 전자 빔으로 펌프 및 프로브 펄스를 생성한다.
• 전자 빔의 반을 약 반의 길이만큼 지연시키기 위해 짧은 자기 카이칸(약한 카이칸)으로 한 언듈레이터 세그먼트를 교체한다.
• 전체 빔의 첫 번째 반은 시딩되어 첫 번째 언듈레이터 세그먼트에서 포화 상태에 도달할 정도로 증폭되며, 짧고 고출력의 SASE 펄스를 생성한다.
• 두 번째 반은 변조되지 않은 채로 세 번째 세그먼트에서 다른 파장으로 레이저를 발진하여 프로브 펄스를 생성한다.
• 두 번째 발진 과정에서 고이득과 고코herence를 유지하기 위해 신선한 빔 기법을 활용한다.
• 실험실에서의 공간적 및 각도적 분리 가능성을 확보하기 위해 자기 카이칸 내부에 X선 거울을 설치하여 두 색의 펄스를 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 전자 빔이 피코초 정밀도로 시간적으로 구분된 두 개의 고피크 전력 X선 펄스를 서로 다른 파장에서 생성할 수 있는가?
• RQ2 XFEL 기반의 펌프-프로브 실험에서 펌프 펄스와 프로브 펄스 간의 타이밍 제로 잡음을 어떻게 제거할 수 있는가?
• RQ3 XFEL 시설에서 이색 피코초 X선 소스를 도입하기 위해 필요한 최소한의 하드웨어 수정은 무엇인가?
• RQ4 제안된 기법은 XFEL의 단기 펄스 및 장기 펄스 운영 모드 양쪽 모두와 호환되는가?
• RQ5 두 색의 X선 펄스는 상당한 광자 손실 없이 효율적으로 실험실에 분리되어 제공될 수 있는가?

주요 결과

• 이 방법은 단일 전자 빔에서 유도된 이색 X선 펄스(10 GW 수준)를 사용하여 피코초 이내의 시간 해상도를 달성한다.
• 전자 빔의 반을 지연시키는 유일한 자기 카이칸을 사용함으로써 펌프 펄스와 프로브 펄스 간의 타이밍 제로 잡음이 실현된다.
• 유럽 XFEL의 SASE2 파arameters(17.5 GeV, 0.025 nC, 1.0 μm 빔 길이)를 바탕으로 단기 펄스 운영 모드에서도 실현 가능함을 입증하였다.
• 기본 운영 모드와의 호환성은 유지되며, 기계 성능에 영향을 주지 않는다.
• 카이칸 내부에 설치된 X선 거울을 통해 두 펄스의 공간적 분리를 실현하였으며, 실험실에서 몇 mm 수준의 분리가 가능하고 손실이 최소화된다.
• 카이칸 각도를 2.5 mrad로 증가시키거나 광학 지연선을 사용함으로써 장기 펄스 모드(60 fs)에도 적용 가능하며, 선형 영역에서의 작동 덕분에 열 부하가 낮다.