[논문 리뷰] The potential for extending the spectral range accessible to the European XFEL down to 0.05 nm

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

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers참고 문헌 3인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 유럽 XFEL의 스펙트럼 범위를 0.05 nm까지 확장하기 위한 새로운 방법을 제안한다. 이 방법은 자기 및 광학적 지연을 사용한 '신선한 빔 뱅크' 기술을 통해 동일한 언두레이터에서 동시에 0.15 nm와 0.05 nm에서 고강도, 펌토세컨드 X선 펄스를 생성한다. 이 설계는 단일 전자 빔 뱅크를 사용하여 두 파장에서의 포화를 달성하고, 최소한의 하드웨어 수정으로도 가능하며, 기존 XFEL 시설에 저비용으로 비파괴적인 업그레이드를 제공한다.

ABSTRACT

Specifications of the European XFEL cover a range of wavelengths down to 0.1 nm. The baseline design of the European XFEL assumes standard (SASE) FEL mode for production of radiation i.e. only one photon beam at one fixed wavelength from each baseline undulator with tunable gap. Recent developments in the field of FEL physics and technology form a reliable basis for an extensions of the mode of operation of XFEL facilities. This paper explores how the wavelength of the output radiation can be decreased well beyond the European XFEL design, down to 0.05 nm. In the proposed scheme, which is based on the use "fresh bunch" technique, simultaneous operation at two different wavelengths possible. It is shown that one can generate simultaneously, in the same baseline undulator with tunable gap, high intensity radiation at 0.05 nm at saturation, and high intensity radiation around 0.15 nm according to design specifications. We present a feasibility study and we make exemplifications with the parameters of SASE2 line of the European XFEL.

연구 동기 및 목표

• 유럽 XFEL의 기본 0.1 nm에서 더 낮은 0.05 nm까지 운영 스펙트럼 범위를 확장하기 위해.
• 단일 전자 빔 뱅크를 사용하여 두 개의 서로 다른 파장—0.15 nm와 0.05 nm—에서 고강도, 펌토세컨드 간섭성 X선 펄스를 동시에 생성하기 위해.
• 기본 운영 무결성을 유지하면서 새로운 단파장 모드를 추가할 수 있는 기술적으로 실현 가능하고 저비용인 방법을 개발하기 위해.
• 고공간 해상도, 감소된 흡수 및 더 큰 산란 부피를 요구하는 고급 펌프-프로브 실험을 지원하기 위해.

제안 방법

• 세 단계 언두레이터 시스템을 사용: 첫 번째 단계에서 선형 영역에서 0.15 nm에서 SASE 방사선을 생성한다.
• 자기 카이카인 및 거울 기반 광학 지연을 사용하여 방사선 펄스를 빔 길이의 약 반정도로 이동시켜, 시딩을 위한 '신선한' 전자 빔 뱅크를 만든다.
• 지연된 0.15 nm 방사선 펄스(기본 파장)와 그 제3차 harmonics(0.05 nm)를 사용하여, 0.05 nm로 조정된 세 번째 언두레이터 섹션을 시딩한다.
• 세 번째 언두레이터 섹션(11셀, 67.1 m)은 0.05 nm에서 포화에 도달하도록 설계되었으며, 0.15 nm 방사선은 분산되어 간섭하지 않는다.
• 이 방법은 0.15 nm에서 포화가 달성된 후 전자 빔 뒷부분에서 SASE 증폭을 시작하기 위해 '신선한 빔 뱅크' 기술에 의존한다.
• 시뮬레이션은 전자 빔 에너지 분포, 에너지 손실 및 각 단계 간의 빔 파wer 분포를 모델링하여 성능과 포화를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기본 운영 상태인 0.15 nm에서 손상되지 않도록 하면서, 유럽 XFEL의 스펙트럼 범위를 0.05 nm까지 확장할 수 있는가?
• RQ2 단일 전자 빔 뱅크를 사용하여 0.15 nm와 0.05 nm에서 동시에 고강도, 펌토세컨드 X선 펄스를 생성하는 것이 가능한가?
• RQ3 '신선한 빔 뱅크' 기술이 0.15 nm에서 포화된 후 더 긴 언두레이터 섹션에서 0.05 nm에서 SASE 레이저 작동을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 이중 파장 작동을 구현하기 위해 필요한 하드웨어 수정 사항은 무엇이며, 이는 기존 기계 성능에 위험을 초래하는가?

주요 결과

• 이 방법은 0.15 nm에서 10 GW 수준의 펄스와 0.05 nm에서 10 GW 수준의 펄스를 동시에 생성하며, 각각의 언두레이터 섹션에서 포화에 도달한다.
• 세 번째 언두레이터 섹션(67.1 m, 11셀)은 0.05 nm에서 포화에 충분하며, 출력 전력이 10 GW 수준에 도달한다.
• 세 번째 단계 종료 시점의 빔 파워 분포(그림 16)는 0.05 nm에서 강한 증폭을 확인하며, 스펙트럼(그림 17)은 0.15 nm 기본 성분으로부터의 오염이 최소한임을 보여준다.
• 에너지 분포 및 에너지 이격(그림 18)은 허용 가능한 수준을 유지하며, 빔 품질 저하 없이 안정적인 운영을 의미한다.
• 이 기술은 짧은 자기 카이카인과 광학 지연 장치만 필요하여 저비용이며 비파괴적인 업그레이드이며, 기본 운영에 위험을 초래하지 않는다.
• 이 방법은 유럽 XFEL 뿐 아니라, LCLS와 SASE1과 같이 더 짧은 언두레이터를 갖춘 다른 XFEL 시설, 특히 고정 갭 언두레이터를 갖춘 시설에도 적용 가능하다.