[논문 리뷰] Scheme for generation of fully-coherent, TW power level hard X-ray pulses from baseline undulators at the European X-ray FEL

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 07. 16.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers참고 문헌 3인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 유럽 XFEL의 기본 SASE2 우두부에서 웨이크 단색화기와 언두레이터 타이퍼링을 활용한 계단식 자기시딩 기법을 제안하여 0.15 nm 파장에서 완전히 간섭가능한, 테라와트(peak) 출력을 갖는 경자이온 X선 펄스를 생성한다. 이 방법은 LCLS 대비 피크 브라이트니스를 3개 정도 높여, 단일 생분자 영상 및 비탄성 산란 분야에서 새로운 응용 가능성을 열어준다.

ABSTRACT

The most promising way to increase the output power of an X-ray FEL (XFEL) is by tapering the magnetic field of the undulator. Also, significant increase in power is achievable by starting the FEL process from a monochromatic seed rather than from noise. This report proposes to make use of a cascade self-seeding scheme with wake monochromators in a tunable-gap baseline undulator at the European XFEL to create a source capable of delivering coherent radiation of unprecedented characteristics at hard X-ray wavelengths. Compared with SASE X-ray FEL parameters, the radiation from the new source has three truly unique aspects: complete longitudinal and transverse coherence, and a peak brightness three orders of magnitude higher than what is presently available at LCLS. Additionally, the new source will generate hard X-ray beam at extraordinary peak (TW) and average (kW) power level. The proposed source can thus revolutionize fields like single biomolecule imaging, inelastic scattering and nuclear resonant scattering. The self-seeding scheme with the wake monochromator is extremely compact, and takes almost no cost and time to be implemented. The upgrade proposed in this paper could take place during the commissioning stage of the European XFEL, opening a vast new range of applications from the very beginning of operations. We present feasibility study and examplifications for the SASE2 line of the European XFEL.

연구 동기 및 목표

• 단일 생분자 영상 등의 고급 응용을 위해 X선 FEL에서 더 높은 광자 유량과 완전한 종방향 간섭가용성을 확보하기 위한 필요성 해결.
• 스펙트럼 순도와 피크 브라이트니스가 제한된 SASE FEL의 한계를 극복.
• 경자이온 파장(0.15 nm)에서 초고브라이트, 완전한 간섭가능성 X선 펄스를 초고피크(TW) 및 평균(kW) 출력 수준으로 실현.
• 고반사율과 넓은 각도 수용각을 갖는 결정 빛 굴절기를 사용하여 효율적이고 신속한 빔 분배를 가능하게 하여 다중 사용자 운영 지원.
• 기본 설계와의 호환성을 확보하면서도, 운영 첫날부터 초고브라이트, 간섭가능한 복사선을 제공하기 위해 유럽 XFEL의 시운전 단계에서 업그레이드 수행.

제안 방법

• 첫 번째 우두부 섹션의 출력에서 SASE 복사선을 단색화하기 위해 웨이크 단색화기를 사용하는 계단식 자기시딩 기법을 구현.
• 유럽 XFEL의 SASE2 라인에 42셀로 구성된 조절 가능한 간격을 갖는 기본 우두부를 사용하여 우두부 길이에 따라 자기장의 타이퍼링을 효율적으로 구현.
• 전자 에너지 감소에 따라 공명 조건을 유지함으로써 복사장의 축적을 증가시키기 위해 언두레이터 타이퍼링을 적용.
• 자기시딩과 언두레이터 타이퍼링을 조합하여 푸리에 변환 한계에 가까운 복사 스펙트럼 대역폭을 달성하고, 완전한 종방향 간섭가용성 확보.
• 브라그 반사 기하학에서 결정을 사용하여 전체 복사 펄스를 약 99%의 반사율과 넓은 각도 수용각으로 굴절 및 조절할 수 있는 다중 사용자 빔 분배 시스템 설계.
• 소형이고 저비용의 웨이크 단색화기를 사용하여 기존 기본 설계와의 호환성을 확보하고 최소한의 수정으로 구현 가능.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 웨이크 단색화기와 언두레이터 타이퍼링을 활용한 자기시딩 기법이 유럽 XFEL에서 완전히 간섭가능하고 테라와트 수준의 경자이온 X선 펄스를 생성할 수 있는가?
• RQ2 조절 가능한 간격을 갖는 우두부에서 자기시딩과 언두레이터 타이퍼링을 조합했을 때 도달 가능한 피크 브라이트니스와 스펙트럼 순도는 얼마인가?
• RQ3 초고브라이트, 완전한 간섭가능성 X선 펄스를 갖는 다중 사용자 XFEL 시설은 어떻게 효율적으로 운영할 수 있는가?
• RQ4 기본 SASE FEL 대비 이 자기시딩 기법이 종방향 간섭가용성과 스펙트럼 대역폭에 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 이 업그레이드가 기본 운영을 방해하지 않고 시운전 단계에서 구현 가능한가?

주요 결과

• 제안된 기법은 0.15 nm 파장에서 5 fs-FWHM의 완전한 간섭가능성 X선 펄스를 생성하며, 펄스당 2×10¹²개의 광자를 갖는 초고브라이트 성능을 달성한다.
• 피크 브라이트니스는 최대 10³⁷ ph/s/mm²/mrad²/0.1% BW에 도달하여 현재 LCLS 성능 대비 3개 정도의 증가를 보인다.
• 0.25 nC 빔 량에서 평균 브라이트니스는 최대 10²⁸ ph/s/mm²/mrad²/0.1% BW에 도달하여 고처리량 다중 사용자 운영이 가능하다.
• 웨이크 단색화기를 사용한 자기시딩 기법은 푸리에 변환 한계에 가까운 복사 대역폭을 달성하여 완전한 종방향 간섭가용성을 보장한다.
• 우두부 출구에서의 전자 에너지 분포는 약 2%로, 타이퍼링 과정에서 푸앵드로모틱 웰 내에서 전자가 효과적으로 포획되고 감속됨을 나타낸다.
• 브라그 결정 빛 굴절기를 사용한 빔 분배 시스템은 전체 펄스를 약 99%의 반사율과 넓은 각도 수용각으로 처리할 수 있어, 여러 실험 간의 신속한 전환 가능.