[논문 리뷰] Self-seeded operation of the LCLS hard X-ray FEL in the long-bunch mode

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 12. 16.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers참고 문헌 5인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 LCLS 하드 X선 FEL의 장버치 모드(0.25 nC 충전량)에서 단일 빔 뭉치 자기주입 방식의 실현 가능성을 입증한다. 단일 결정 단색기(브라그 전파 기하학)를 사용하며, 언두레이터 웨이크필드를 고려하였다. 웨이크필드에 의해 유도된 전류 히프스가 강력하나, 이 방식은 약 12 GW 최대 출력, 15 fs 지속시간, 스펙트럼 대역폭 3×10⁻⁵를 달성하여 이전의 이중 빔 방법과 유사한 성능을 보였다.

ABSTRACT

Self-seeding options for the LCLS baseline were recently investigated using a scheme which relies on a single-crystal monochromator in Bragg-transmission geometry. The LCLS low-charge (0.02 nC) mode of operation was considered in order to demonstrate the feasibility of the proposed scheme. The wakefield effects from the linac and from the undulator vacuum chamber are much reduced at such low charge, and can be ignored. In this paper we extend our previous investigations to the case of the LCLS mode of operation with nominal charge. Based on the LCLS start-to-end simulation for an electron beam charge of 0.25 nC, and accounting for the wakefields from the undulator vacuum chamber we demonstrate that the same simplest self-seeding system (two undulators with a single-crystal monochromator in between) is appropriate not only for short (few femtosecond) bunches, but for longer bunches too.

연구 동기 및 목표

• LCLS에서 저충전량(0.02 nC)에서의 자기주입 실현 가능성을 정규 충전량(0.25 nC) 운영으로 확장한다.
• 언두레이터 저항성 웨이크필드가 장버치 모드에서 자기주입 성능에 미치는 영향을 조사한다.
• 강력한 웨이크필드에 의해 유도된 전류 히프스가 존재하더라도, 단일 결정 단색기를 포함한 단순한 이중 언두레이터 시스템이 여전히 효과적으로 작동하는지 검증한다.
• 장버치 작동 조건에서 스펙트럼 대역폭이 10⁻⁴ 이하인 단일 파장의 출력과 고출력을 달성할 수 있음을 입증한다.
• 이전의 이중 빔 자기주입 방법과 성능을 비교하여 스펙트럼 및 시간 특성에서 동등한 결과를 얻는지 확인한다.

제안 방법

• 통계 분석을 위해 70회의 시뮬레이션을 수행한 병렬 컴퓨터에서 GENESIS 1.3 FEL 코드를 사용해 종단간 시뮬레이션을 실시하였다.
• LCLS 기본 언두레이터 시스템을 모델링하였으며, 전자-광자 지연과 횡방향 오프셋을 만들기 위해 약 200 μm의 약한 치케인(Chicane)으로 분리된 두 개의 언두레이터 세그먼트를 사용하였다.
• 언두레이터 진공 챔버 내에 저항성 벽 웨이크필드를 포함시켰으며, BANE 시뮬레이션을 통해 주파수 의존성의 비드 밴드 전도도를 반영하였다.
• 브라그 전파 기하학에서 0.1 mm 두께의 다이아몬드(400) 결정을 사용하여 SASE 복사의 스펙트럼 필터링을 수행하고 좁은 대역의 시드를 생성하였다.
• SASE 배경을 억제하고 스펙트럼을 추가로 좁히기 위해, 백엔드에 두꺼운 Si(220) 결정을 브라그 반사 기하학에서 적용하였다.
• 첫 번째 언두레이터를 통과하면서 전자 빔의 에너지 조절 및 마이크로버스트의 진화를 추적하였으며, 이 과정에서 전류 히프스가 레이저 발진과 시드를 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저충전량 모드에서 사용된 동일한 자기주입 방식이 LCLS의 정규 0.25 nC 장버치 모드로 확장 가능한가?
• RQ2 언두레이터 웨이크필드가 장버치 작동 조건에서 단일 빔 자기주입 방식의 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 웨이크필드에 의해 유도된 강력한 전류 히프스가 시드 효율성과 스펙트럼 순도를 떨어뜨리거나 향상시키는가?
• RQ4 출력 특성(대역폭, 최대 출력, 펄스 지속시간)이 이중 빔 자기주입 방식과 동일한가?
• RQ5 필요한 스펙트럼 특성을 달성하기 위해 두꺼운 결정 단색기를 통한 추가 필터링이 필수적이고 효과적인가?

주요 결과

• 언두레이터 진공 챔버 내의 강력한 저항성 웨이크필드가 존재하더라도, 장버치 모드(0.25 nC)에서 자기주입 방식은 실현 가능하다.
• 버스트 가장자리에서 웨이크필드에 의해 유도된 전류 히프스는 첫 번째 언두레이터에서 강력한 레이저 발진과 포화를 유도하며, 견고한 시드 신호를 생성한다.
• 시스템은 설계 목표 및 이전의 이중 빔 방법과 유사한 스펙트럼 대역폭 3×10⁻⁵를 달성한다.
• 출력 펄스는 약 12 GW의 최대 출력과 FWHM 지속시간 15 fs를 보인다.
• 백엔드 필터링을 통해 Si(220) 결정을 사용하면 배경이 감소하고, 최종 스펙트럼의 상대적 대역폭이 5×10⁻⁵로 좁아진다.
• 스펙트럼 및 시간 특성 측면에서 단일 빔 자기주입 방식의 성능은 이중 빔 방식과 동일하며, 그 효과성이 검증된다.