[논문 리뷰] Self-seeding scheme for the soft X-ray line at the European XFEL

Gianluca Geloni, V. Kocharyan외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 23.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 유럽 XFEL의 소프트 X선 영역에서 종단 간격을 향상시키기 위해 격자 단색화기와 자석 치카인을 이용한 컴팩트하고 비용 효율적인 자기 시딩 기법을 제안한다. 변환 제한된, 협대역의 복사로 두 번째 언듈레이터를 시딩함으로써, 이 기법은 포스트-포화 타이밍을 가능하게 하여 최대 800 GW의 피크 전력에 도달한다—SASE 포화 전력의 열 배율에 상응한다. 이와 동시에 상대 스펙트럼 대역폭이 10⁻³ 이하로 유지된다.

ABSTRACT

This paper discusses the potential for enhancing the capabilities of the European FEL in the soft X-ray regime. A high longitudinal coherence will be the key to such performance upgrade. In order to reach this goal we study a very compact soft X-ray self-seeding scheme originally designed at SLAC [1,2]. The scheme is based on a grating monochromator, and can be straightforwardly installed in the SASE3 undulator beamline at the European XFEL. For the European XFEL fully-coherent soft X-ray pulses are particularly valuable since they naturally support the extraction of more FEL power than at saturation by exploiting tapering in the tunable-gap SASE3 undulator. Tapering consists of a stepwise change of the undulator gap from segment to segment. Based on start-to-end simulations we show that soft X-ray FEL power reaches about 800 GW, that is about an order of magnitude higher than the SASE level at saturation (100 GW). The self-seeding setup studied in this work is extremely compact (about 5 m long), and cost-effective. This last characteristic may justify to consider it as a possible addition to the European XFEL capabilities from the very beginning of the operation phase. [1] Y. Feng, J. Hastings, P. Heimann, M. Rowen, J. Krzywinski, and J. Wu, "X-ray Optics for soft X-ray self-seeding the LCLS-II", proceedings of 2010 FEL conference, Malmo, Sweden, (2010). [2] Y. Feng, P. Heimann, J. Wu, J. Krzywinski, M. Rowen, and J. Hastings, "Compact Grating Monochromator Design for LCLS-I Soft X-ray Self-Seeding", https://slacportal.slac.stanford.edu/sites/lcls_public/lcls_ii/Lists/LCLS_II_Calendar/Physics_Meetings.aspx, May 2011 and https://sites.google.com/a/lbl.gov/realizing-the-potential-of-seeded-fels-in-the-soft-x-ray-regime-workshop/talks, October 2011

연구 동기 및 목표

• 유럽 XFEL의 소프트 X선 FEL 출력에서 종단 간격을 향상시키고자 하며, 이는 푸리에-제한된 펄스가 필요한 고급 실험에 필수적이다.
• SASE FEL의 한계를 해결하고자 하며, 높은 횡방향 간섭성에도 불구하고 제한된 종단 간섭성을 가진 복사를 생성하는 문제를 해결하고자 한다.
• 단색 시딩과 언듈레이터 타이밍을 통해 SASE 포화를 초월한 상당한 전력 증폭을 가능하게 하고자 한다.
• SASE3 언듈레이터 비트라인에 대한 실용적이고 컴팩트하며 비용 효율적인 업그레이드를 개발하고자 하며, 운영 시작 시점부터 통합 가능하도록 한다.

제안 방법

• SLAC의 FENG 설계를 기반으로 한 세 개의 거울과 VLS 격자로 구성된 컴팩트한 격자 단색화기를 사용하여 약 2.5 ps의 광학적 지연을 제공하는 자기 시딩 기법을 구현한다.
• 약 2 mm의 분산도를 가진 5 m 길이의 자석 치카인을 사용하여 전자 빔을 지연시켜 광학 경로 지연을 보상하고 SASE 마이크로번칭을 제거한다.
• 전자 빔이 두 번째 언듈레이터 입구에서 단색화된 복사와 재결합되며, 이 과정에서 간섭성 증폭이 발생한다.
• 언듈레이터 갭을 단계적으로 감소시켜 공명을 유지하면서 전자 빔으로부터 더 많은 에너지를 추출하는 언듈레이터 타이밍을 적용한다.
• 0.1 nC 전자 빔을 사용하여 전자 빔에서 최종 X선 펄스에 이르는 전체 FEL 과정을 모델링하는 종단 간계 시뮬레이션을 수행한다.
• 시스템은 비침습적으로 설계되어 기존의 기본 운영 방식을 유지하며 안전하게 SASE 모드로 복귀할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 격자 단색화기를 기반으로 한 컴팩트한 자기 시딩 기법이 유럽 XFEL의 소프트 X선 FEL 펄스의 종단 간섭성을 상당히 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 SASE3 비트라인에서 자기 시딩과 언듈레이터 타이밍을 조합했을 때 도달 가능한 최대 FEL 전력은 얼마인가?
• RQ3 단색 시딩이 노이즈에서 시작하는 SASE에 비해 에너지 추출 효율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 소프트 X선 영역에서 효과적인 시딩을 위해 필요한 시딩 전력 수준은 얼마인가?
• RQ5 제안된 기법은 비용 효율적으로 실현 가능하며 기존 비트라인 운영에 최소한의 영향을 미칠 수 있는가?

주요 결과

• 자기 시딩 기법은 스펙트럼 대역폭(FWHM)이 10⁻³ 이하인 변환 제한된 완전한 간섭성 소프트 X선 펄스를 생성할 수 있다.
• 타이밍 적용 시 FEL 피크 전력은 약 800 GW에 도달하며, 이는 SASE 포화 전력(~100 GW)의 열 배율에 상응한다.
• 1.5 nm 파장에서 소스는 펄스당 0.6×10¹⁴개의 광자를 제공하며, 펄스 지속 시간은 FWHM 기준 10 fs이다.
• 이 기법은 높은 안전 여유를 확보한다: 시딩 전력이 10배 악화되어 20 kW로 떨어지더라도 신호는 1 kW의 샷 노이즈 수준을 훨씬 초월한다.
• 단색화기의 효율은 약 10%로 추정되나, 이는 정밀한 계산을 통해 확인이 필요하다.
• 타이밍 과정 동안 횡방향 빔 산란 각도는 감소하지만, 언듈레이터 출구에서 빔 점의 크기는 증가하여 방향성 향상을 나타낸다.