[논문 리뷰] Scheme for generating and transporting THz radiation to the X-ray experimental floor at the LCLS baseline

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 04.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LCLS 시설의 소모된 전자 비임의 일관된 테라헤르츠(THz) 복사를 100미터 거리에 걸쳐 덤프 영역 접근 미로를 통해 X선 실험 바닥면으로 전송하기 위한 컴act하고 저비용인 방법을 제안한다. 이는 주기적으로 간격을 두고 배치된 금속 스크린을 가진 야금적 전파선(iris waveguide)—즉, 준광학적 전송선로—를 사용한다. 이 방법은 100미터 거리에서 회절 한계를 초과하지 않는 효율적인 전송을 가능하게 하며, 자유공간 복사 효율의 약 80%를 달성하고, 0.06mm 파장에서 최대 0.3GW의 THz 전력에 이를 수 있다.

ABSTRACT

This paper describes a novel scheme for integrating a coherent THz source in the baseline of the LCLS facility. Any method relying on the spent electron beam downstream of the baseline undulator should provide a way of transporting the radiation up to the experimental floor. Here we propose to use the dump area access maze. In this way the THz output must propagate with limited size at least for one hundred meters in a maze, following many turns, to reach the near experimental hall. The use of a standard, discrete, open beam-waveguide formed by periodic reflectors, that is a mirror guide, would lead to unacceptable size of the system. To avoid these problems, in this paper we propose an alternative approach based on periodically spaced metallic screens with holes. This quasi-optical transmission line is referred to as an iris line. We present complete calculations for the iris line using both analytical and numerical methods, which we find in good agreement. We present a design of a THz edge radiation source based on the use of an iris line. The proposed setup takes almost no cost nor time to be implemented at the LCLS baseline, and can be used at other facilities as well. The edge radiation source is limited in maximally achievable field strength at the sample. An extension based on the use of an undulator in the presence of the iris line, which is feasible at the LCLS energies, is proposed as a possible upgrade of the baseline THz source.

연구 동기 및 목표

• LCLS 기본 시설에 일관된 THz 소스를 통합하기 위한 비용과 시간 효율적인 방법 개발.
• 덤프 영역 접근 통로의 제약된 미로 형태의 경로를 통해 100미터 거리에 걸쳐 THz 복사를 전송하는 문제 해결.
• 초고속 과학 분야의 펌프-프로브 실험을 위해 THz 및 X선 펄스 간의 내재된 동기화 가능하게 하기.
• 장거리에서 빔 품질을 유지하고 회절 손실을 최소화하는 전송 시스템 설계.
• LCLS를 초월한 다른 XFEL 시설에도 적용 가능한 확장 가능한 솔루션 제안.

제안 방법

• 주기적으로 간격을 두고 배치된 금속 스크린과 구멍을 가진 것으로 구성된 개방형 준광학적 빔 웨이브가이드—특히 아이리스 라인—을 사용하여 THz 복사를 유도.
• 아이리스 웨이브가이드의 고유모드와 전송 특성을 모델링하기 위해 수치적(Fox-Li 방법) 및 분석적(Vainstein 방법) 기법을 모두 활용.
• 소스와 전송 선로 간의 공간 모드 일치를 보장하기 위해 웨이브가이드 내부에서 직접 복사를 생성하도록 THz 소스를 설계.
• 아이리스 웨이브가이드 환경에서 가장자리 복사 및 언두레이터 복사를 위한 전자기장 방정식을 해석하기 위해 그린 함수 이론을 적용.
• 저회절 손실(~10% 100m당)과 고전송 효율을 달성하기 위해 웨이브가이드 파arameter(아이리스 반지름 a ≈ 5 cm, 간격 b ≈ 30 cm)를 최적화.
• 모든 복사원으로서 가장자리 복사와 언두레이터 복사를 고려하였으며, 후속 업그레이드로 더 높은 전기장 강도를 위한 언두레이터 복사를 제안.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 덤프 영역 접근 미로를 활용하여 LCLS 기본 시설에 컴팩트하고 저비용의 THz 소스를 통합할 수 있는가?
• RQ2 제약된 다중 회전 경로를 통해 100미터 거리에 걸쳐 최소한의 회절과 손실로 THz 복사를 전송할 수 있는가?
• RQ3 준광학 시스템에서 전송 효율과 모드 일치를 극대화하는 데 최적의 웨이브가이드 기하학적 형상과 모드 구조는 무엇인가?
• RQ4 아이리스 웨이브가이드는 생성된 THz 복사의 편광 및 대칭성을 어느 정도 유지하는가?
• RQ5 이러한 전송 체계를 사용할 경우 샘플 위치에서 도달할 수 있는 최대 전력과 스펙트럼 특성은 무엇인가?

주요 결과

• Fresnel 수가 약 100일 때(반지름 a ≈ 5 cm, 간격 b ≈ 30 cm, 파장 λ ≈ 0.1 mm), 기본 모드에서 100미터 거리에서 약 10%의 회절 손실을 기록한다.
• 샘플에서 실제 복사 에너지 대 자유공간 복사 에너지 비율 W/W_fs는 파장 λ ≈ 0.06 mm에서 약 0.8에 도달하여 높은 전송 효율을 나타낸다.
• 10주기 펄스에서 0.06mm 파장에서 최대 0.3GW의 THz 전력이 달성 가능하며, 이는 약 1V/원자 크기의 고장력 한계에 가까운 수준이다.
• Fox-Li 수치 시뮬레이션과 Vainstein 분석적 방법을 통한 고유모드 계산 결과는 매우 우수한 일치를 보이며 이론 모델의 타당성을 입증한다.
• 웨이브가이드 내부에서 생성된 소스 복사 모드는 자연스럽게 아이리스 웨이브가이드 모드와 일치하므로 커플링 손실을 최소화한다.
• 제안된 설정은 LCLS 에너지 수준에서 실현 가능하며, 향후 언두레이터 복사를 활용한 더 높은 전기장 강도 업그레이드로 확장 가능하다.