[논문 리뷰] Superradiant Undulator Radiation for Selective THz Control Experiments at XFELs

Takanori Tanikawa, Suren Karabekyan외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 14.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 유럽 XFEL에서 폐기된 전자 빔의 초광속 우두르기 방사선을 이용하여 3–30 THz 범위에서 주파수 조절이 가능하고, 대역폭이 좁으며, 캐리어-위상 안정성 있는 테라헤르츠 펄스를 생성함으로써, 에너지가 최대 280 µJ에 이르는 방식을 제안한다. 이 방법은 초전도성 우두르기와 고품질의 17.5 GeV 전자 빔을 활용하여, X선 펄스와 동기화된 고반복주기(최대 4.5 MHz)의 테라헤르츠 펄스를 생성하며, 전자기적 및 구조적 동역학에 대한 펌프-프로브 실험을 피코초 해상도로 가능하게 한다.

ABSTRACT

The generation of frequency-tunable, narrow-bandwidth and carrier-envelope-phase stable THz pulses with fields in the MV/cm regime that can be appropriately timed to the femtosecond X-ray pulses from free-electron-lasers is of highest scientific interest. It will enable to follow the electronic and structural dynamics stimulated by (non)linear selective excitations of matter on few femtosecond time and Ångstrom length scales. In this article, a scheme based on superradiant undulator radiation generated just after the XFEL is proposed. The concept utilizes cutting edge superconducting undulator technology and provides THz pulses in a frequency range between 3 and 30 THz with exceptional THz pulse energies. Relevant aspects for realization and operation are discussed point by point on the example of the European XFEL.

연구 동기 및 목표

• 강력하고 대역폭이 좁은 테라헤르츠 펄스를 이용해 물질 내 저에너지 자유도를 선택적으로 비선형적으로 자극하는 것.
• XFEL 펌프-프로브 타이밍과 호환되는 고반복주기, 고장력, 주파수 조절이 가능한 테라헤르츠 소스의 부족을 보완하는 것.
• 기존 XFEL 인프라를 활용하여 mJ 수준의 에너지와 100 fs 이내의 시간 해상도를 갖는 테라헤르츠 펄스를 생성할 수 있는 기술적으로 실현 가능한 방법을 개발하는 것.
• 반복주기까지 4.5 MHz인 조건에서 테라헤르츠 펌프 펄스와 X선 프로브 펄스 간의 동기화를 보장하는 것.
• 조절 가능한 우두르기 길이와 빛줄기 타이밍을 통해 펄스 내 테라헤르츠 주기 수를 제어하여 선택적 자극 실험을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 유럽 XFEL의 SASE FEL 과정에서 발생한 폐기 전자 빔을 이용해 초전도성 우두르기에서 초광속 테라헤르츠 방사선을 생성한다.
• 17.5 GeV 전자 빔 에너지에서 3–30 THz 범위의 기본 주파수를 최적화하기 위해 주기 길이를 조절한 10주기의 초전도성 우두르기를 설계한다.
• 고에너지 전자 빔에서 초광속 방사선을 유지하기 위해 Nb-Ti 초전도 기술을 활용해 최대 7.3 T의 피크 자기장 강도를 확보한다.
• 12 m 이내에 수납 가능하도록 접힌 우두르기 기하구조를 적용하여 길이를 최소화하면서 성능을 유지하고, 추가적인 광학 손실은 약 3%에 그친다.
• 770 ps 간격의 듀얼 빛줄기 구조를 도입하여 X선 펄스 열과 독립적으로 테라헤르츠 펄스를 생성함으로써 타이밍 유연성을 확보하고 X선 배경을 감소시킨다.
• 기존 X선 광학 터널을 통해 테라헤르츠 빔을 이동시키는 데 필요한 설계를 수행하며, 장거리 경로와 함께 빔 품질을 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 폐기된 XFEL 전자 빔에서 발생하는 초광속 우두르기 방사선이 충분한 에너지를 지닌 좁은 대역폭, 주파수 조절이 가능한 테라헤르츠 펄스를 생성할 수 있는가?
• RQ2 17.5 GeV 전자 빔 에너지에서 초전도성 우두르기를 사용하여 3–30 THz 범위에서 에너지 >10 µJ, 대역폭 <10%의 테라헤르츠 펄스를 생성하는 것이 가능한가?
• RQ3 유럽 XFEL의 고반복주기(최대 4.5 MHz)를 활용하여 X선 펄스와 동기화된 테라헤르츠 펄스를 생성하여 펌프-프로브 실험을 수행할 수 있는가?
• RQ4 고반복주기 XFEL 운영 환경에서 테라헤르츠 펄스와 X선 펄스 간의 타이밍 저항을 최소화하거나 보완할 수 있는가?
• RQ5 우두르기 길이 또는 전자 빛줄기 구성 조절을 통해 펄스 내 테라헤르츠 주기 수를 제어할 수 있는가? 이는 선택적 자극 실험에 유리하다.

주요 결과

• 10주기 우두르기와 17.5 GeV 전자 빔을 사용할 경우, 표 3에 나타낸 바와 같이 기본 주파수(3–30 THz)에서 최대 280 µJ의 펄스 에너지를 확보할 수 있다.
• 전체 1–100 THz 대역폭에서의 총 펄스 에너지는 최대 3.45 mJ에 이르며, 500 pC 전자 빛줄기일 경우 3 THz에서 279 µJ의 에너지를 기록한다.
• 이 방법은 최대 4.5 MHz의 반복주기를 지원하며, 이는 유럽 XFEL의 X선 펄스 열 구조(10 트레인/초, 최대 2700 펄스/트레인)와 일치한다.
• XFEL 전자 빔의 고품질 덕분에 펄스 간 에너지 안정성이 뛰어나질 것으로 기대되어 신뢰할 수 있는 펌프-프로브 측정이 가능하다.
• 듀얼 빛줄기 구조 덕분에 1 ns 지연선을 활용해 테라헤르츠 펄스 타이밍을 탄력적으로 제어할 수 있으며, 어떤 반복주기에서도 X선 펄스와 동기화가 가능하다.
• 기존 터널 인프라 내에서 수백 미터에 걸쳐 테라헤르츠 전송선로를 구현하는 것이 가능하며, 추가로 발생하는 3개의 반사로 인한 손실은 무시할 만하다.