[논문 리뷰] Scheme for simultaneous generation of three-color ten GW-level X-ray pulses from baseline XFEL undulator and multi-user distribution system for XFEL laboratory

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

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 유럽 XFEL의 기본 언듈레이터를 이용하여 0.05 nm, 0.15 nm, 및 0.4 nm에서 동시에 세 가지 색상의 10 GW 수준의 펌터세컨드 X선 펄스를 생성하는 방법을 제안한다. 짧은 파장에서는 '프레시 번치'(fresh bunch) 기법을, 긴 파장에서는 '어퍼버너'(afterburner) 모드를 활용한다. 또한 이동 가능한 다층 거울을 이용한 다중 사용자 분배 시스템을 도입하여, 빔 품질을 손상시키지 않은 채 여러 실험 스테이션에서 동시에 고피크 흐름 실험을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The baseline design of present XFEL projects only considers the production of a single photon beam at fixed wavelength from each baseline undulator. At variance, the scheme described in this paper considers the simultaneous production of high intensity SASE FEL radiation at three different wavelengths. We present a feasibility study of our scheme, and we make exemplifications with parameters of the baseline SASE2 line of the European XFEL operating in simultaneous mode at 0.05 nm, 0.15 nm and 0.4 nm. Our technique for generating the two colors at 0.05 nm and 0.15 nm is based in essence on a "fresh bunch" technique. For the generation of radiation at 0.4 nm we propose to use an "afterburner" technique. Implementation of these techniques does not perturb the baseline mode of operation of the SASE2 undulator. The present paper also describes an efficient way to obtain a multi-user facility. It is shown that, although the XFEL photon beam from a given undulator is meant for a single user, movable multilayer X-ray mirrors can be used to serve many users simultaneously. The proposed photon beam distribution system would allow to switch the FEL beam quickly between many experiments in order to make an efficient use of the source. Distribution of photons is achieved on the basis of pulse trains and it is possible to distribute the multicolor photon beam among many independent beam lines, thereby enabling many users to work in parallel with different wavelengths.

연구 동기 및 목표

• 기존 언듈레이터 인프라를 활용하여 두 가지 파장에서의 X선 펄스 생성 기술을 세 가지 동시 파장으로 확장한다 (0.05 nm, 0.15 nm, 0.4 nm).
• 기본 운영 방식을 손상시키지 않은 채, 여러 파장에서 동시에 고피크 흐름(10 GW 수준)의 펌터세컨드 X선 펄스를 생성한다.
• 다양한 사용자에게 고품질 X선 빔을 제공하기 위한 효율적이고 유연하며 손실이 적은 광자 빔 분배 시스템을 개발한다.
• 빔 분할 및 스위칭에도 불구하고, 각 사용자에게 동일한 품질의 빔과 피크 흐름을 유지할 수 있도록 보장한다.

제안 방법

• 전자 빔 품질과 언듈레이터 길이를 활용하여 '프레시 번치' 기법을 적용해 0.15 nm 및 0.05 nm에서 짧고 고강도의 펄스를 생성한다.
• 남은 언듈레이터 구역에서 '어퍼버너' 기법을 적용하여 소진된 전자 빔을 이용해 0.4 nm에서 제3의 펄스를 생성한다.
• 이동 가능한 다층 X선 거울 시스템을 도입하여 다색 펄스 트레인을 여러 사용자 스테이션에 분배한다.
• 0.1 mrad 이내의 정밀도를 가진 회전 다층 굴절 거울을 사용하여 2 Hz 반복 주기로 빔을 사용자 스테이션 간에 스위칭한다.
• 빔의 각도 분산를 일정하게 유지하고 흡수 손실을 최소화할 수 있도록 분배 시스템을 설계한다.
• 거울 운동을 정지시켜 특정 사용자에게 전체 빔 강도를 집중시키는 방식으로 동적 흐름 할당을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기본 SASE 언듈레이터에서 표준 운영 방식을 방해하지 않고, 세 가지 색상의 10 fs 이내, 10 GW 수준의 X선 펄스를 동시에 생성할 수 있는가?
• RQ2 짧은 파장에서 레이저 작동을 마친 전자 빔을 이용해 0.4 nm에서 간섭도가 높은 SASE 복사가 생성될 수 있는가?
• RQ3 이동 가능한 다층 거울 시스템이 다색, 고피크 흐름 X선 펄스를 다수 사용자에게 동시에 효율적으로 분배할 수 있는가?
• RQ4 다중 사용자 XFEL 시설에서 빔 품질을 유지하기 위해 빔 굴절 및 정렬 정밀도에 미치는 기술적 및 광학적 제약은 무엇인가?
• RQ5 빔 분할 및 스위칭에도 불구하고, 분배 시스템이 각 사용자에게 동일한 고품질 특성을 지닌 빔을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 방식은 유럽 XFEL의 기본 SASE2 언듈레이터를 이용해 0.05 nm, 0.15 nm, 0.4 nm에서 동시에 10 GW 수준의 10 fs 이내 X선 펄스를 성공적으로 생성한다.
• '프레시 번치' 기법은 0.15 nm 및 0.05 nm에서 효율적인 레이저 작동을 가능하게 하며, 시뮬레이션 결과 실험 데이터와 양호한 일치를 보이고, 0.1 nm에서 약 90%의 피크 반사율을 확보한다.
• '어퍼버너' 기법은 소진된 전자 빔을 이용해 0.4 nm에서 간섭도 있는 복사를 생성하며, 여전히 레이저 작동에 필요한 충분한 품질을 유지한다.
• 다층 거울 기반의 분배 시스템은 5개의 사용자 스테이션에서 2 Hz 반복 주기로 동시에 작동할 수 있으며, 각 스테이션은 고품질의 동일한 빔을 수신한다.
• 수십 미터에 걸쳐 빔의 각도 분산가 일정하게 유지되며, 여러 굴절기 사이에서 빔 점의 크기가 변화하지 않는다.
• 굴절 시스템은 각 굴절기당 다층 거울 3개만으로 구성되어 흡수 손실을 최소화하며, 거울 운동을 정지시켜 특정 사용자에게 전용으로 전체 빔 강도를 할당할 수 있다.