[논문 리뷰] Wake monochromator in asymmetric and symmetric Bragg and Laue geometry for self-seeding the European X-ray FEL

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan외 3명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 31.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers참고 문헌 4인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 유럽 X선 FEL에서 3–13 keV 범위에서 자가시딩을 가능하게 하기 위해 비대칭 및 대칭 브라그 반사 및 라우 반사를 활용한 단일 다이아몬드 다이아몬드 웨이크 단색화기 구조를 제안한다. 이로 인해 전체 간섭성과 함께 TW 수준의 피크 전력이 달성된다. 단일 회전 자유도를 가진 하나의 결정을 활용함으로써 생물 영상용 비임의 빔라인을 단순화하면서도, 시공간 결합 효과를 고려한 최적화된 종단 간 시뮬레이션을 통해 높은 스펙트럼 및 시간 성능을 유지한다.

ABSTRACT

We discuss the use of self-seeding schemes with wake monochromators to produce TW power, fully coherent pulses for applications at the dedicated bio-imaging bealine at the European X-ray FEL, a concept for an upgrade of the facility beyond the baseline previously proposed by the authors. We exploit the asymmetric and symmetric Bragg and Laue reflections (sigma polarization) in diamond crystal. Optimization of the bio-imaging beamline is performed with extensive start-to-end simulations, which also take into account effects such as the spatio-temporal coupling caused by the wake monochromator. The spatial shift is maximal in the range for small Bragg angles. A geometry with Bragg angles close to pi/2 would be a more advantageous option from this viewpoint, albeit with decrease of the spectral tunability. We show that it will be possible to cover the photon energy range from 3 keV to 13 keV by using four different planes of the same crystal with one rotational degree of freedom.

연구 동기 및 목표

• 유럽 XFEL의 전용 생물 영상 빔라인을 위한 자가시딩 설정을 단순화하고 비용을 절감하는 것.
• 최소한의 기계적 복잡성으로 단일 다이아몬드 결정을 사용해 3 keV에서 13 keV까지의 스펙트럼 커버리지를 연장하는 것.
• 시공간 결합 효과를 고려하면서도 비대칭 및 대칭 브라그 및 라우 기하학에서의 성능을 최적화하는 것.
• 자기시딩과 언두레이터 타이퍼링을 통해 TW 수준의 피크 전력과 완전한 간섭성을 동시에 달성할 수 있는지의 타당성을 입증하는 것.

제안 방법

• X선 단색화를 위해 다이아몬드 결정에서 비대칭 및 대칭 브라그 및 라우 반사를 모델링하기 위해 동적 회절 이론을 활용한다.
• 전자 빔 역학, FEL 증폭, 단색화기 유도 시공간 이동을 포함한 종단 간 시뮬레이션을 수행한다.
• 단일 결정 다이아몬드(C(111), C(113), C(333), C(004))를 사용한 웨이크 단색화기 개념을 적용하여, σ-편광을 이용해 FEL 복사 필터링 및 시딩을 수행한다.
• 3–13 keV 범위 전역에서 다수의 결정 면에 접근하기 위해 단일 회전 자유도를 최적화하여 시스템을 설계한다.
• 시드 펄스를 TW 수준의 출력 전력으로 증폭하기 위해 시차 후 포화 상태의 언두레이터 타이퍼링을 구현한다.
• 결합 효율을 분석하기 위해 결정 통과로 인한 시드 펄스 이동에 따른 FEL 입력 전력 계수를 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 다이아몬드 결정과 하나의 회전 자유도로 다수의 브라그 및 라우 반사를 활용해 3–13 keV 범위를 전부 커버할 수 있는가?
• RQ2 웨이크 단색화기는 시공간 결합을 어떻게 유도하며, 그 영향은 FEL 시딩 효율에 어떠한 영향을 미치는가?
• RQ3 비대칭 및 대칭 반사의 최적 구성은 스펙트럼 테이너블리티와 출력 전력 최대화에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 단색화기 필터링 이후 감소한 시드 전력을 언두레이터 타이퍼링이 어느 정도 보완할 수 있는가?
• RQ5 제안된 설계는 목표 에너지 범위 전역에서 TW 수준의 출력 전력과 완전한 간섭성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• C(111), C(113), C(333), C(004) 반사에서 단일 다이아몬드 결정이 하나의 회전 자유도로 3 keV에서 13 keV까지 완전한 스펙트럼 커버리지를 가능하게 한다.
• 웨이크 단색화기가 유도하는 공간 이동은 작은 브라그 각도에서 최대가 되며, 이는 근접한 π/2 브라그 각도를 선호하는 데 유리하지만, 이는 스펙트럼 테이너블리티를 감소시키는 대가를 치르는 셈이다.
• 비대칭 브라그 반사 C(333)를 사용해 9 keV에서 시스템은 약 20배의 피크 출력 전력 증가를 달성하며, 언두레이터 타이퍼링 이후 약 1 TW에 도달한다.
• 시뮬레이션 결과는 인과관계가 매우 높은 수치 정확도로 유지되며, 주 펄스 이전의 전력 수준이 이론적으로 0으로 설정되어 있어 시뮬레이션의 정밀도가 검증된다.
• 필터링 이후 스펙트럼 폭은 거의 변화하지 않아, 자가시딩 과정 동안 높은 단색성 유지가 확인된다.
• 최종 출력은 100회 단일 스포트 실현에서 안정된 펄스 에너지와 낮은 에너지 변동성을 보이며, 내구성과 간섭성을 확인한다.