[논문 리뷰] Way to increase the user access at the LCLS baseline

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 04.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers참고 문헌 8인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 LCLS 기본 유니폴더의 첫 번째 및 두 번째 반절에서 생성된 SASE X선 빔을 공간적으로 분리함으로써 기존의 LCLS 기본 유니폴더에서 동시에 두 사용자 운영을 가능하게 하는 컴act하고 가역적인 설정을 제안한다. 이는 4m 길이의 자기 치케인과 삽입식 X선 거울을 사용한다. 이 방법은 사용자 간의 빠른 전환을 가능하게 하며, 고속 스위칭 가능한 결정 빛 굴절기들을 통해 최대 6명의 사용자 운영으로 확장 가능하다. 이로 인해 기본 주파수 및 두 번째 고조파 주파수에서 고강도이고 밴드폭이 좁은 단색 X선 빔을 얻을 수 있다.

ABSTRACT

The LCLS beam is meant for a single user, but the baseline undulator is long enough to serve two users simultaneously. To this end, we propose a setup composed of two elements: an X-ray mirrors pair for X-ray beam deflection, and a 4 m-long magnetic chicane, which creates an offset for mirrors pair installation in the middle of the baseline undulator. The insertable mirrors pair can separate spatially the X-ray beams generated in the first and in the second half of the baseline undulator. Rapid switching of the FEL amplification process allows deactivating one half and activating another half of the undulator. As proposed elsewhere, using a kicker installed upstream of the LCLS baseline undulator and an already existing corrector in the first half of the undulator, it is possible to rapidly switch the X-ray beam from one user to another. We present simulation results for the LCLS baseline, and show that it is possible to generate two saturated SASE X-ray beams in the whole 0.8-8 keV photon energy range in the same baseline undulator. These can serve two users. Our technique does not perturb the baseline mode of operation of the LCLS undulator. Also, the magnetic chicane setup is very flexible, and can be used as a self-seeding setup too. We present simulation results for the LCLS baseline undulator with SHAB. One can produce monochromatic radiation at the 2nd harmonic as well as at the 1st. We describe an efficient way for obtaining multi-user operation at the LCLS hard X-ray FEL. To this end, a photon beam distribution system based on the use of crystals in the Bragg reflection geometry is proposed. The reflectivity of crystal deflectors can be switched fast enough by flipping the crystals with piezoelectric devices. Monochromatic hard X-rays can then be distributed among 6 independent experiments, thereby enabling 6 users to work in parallel in the near and far experimental halls.

연구 동기 및 목표

• 기본 운영 방식이나 높은 비용 또는 위험을 초래하지 않으면서 LCLS 기본 유니폴더의 사용자 접근성을 높이기 위해.
• 긴 기본 유니폴더의 서로 다른 반절에서 생성된 SASE X선 빔을 공간적으로 분리하여 두 사용자 간의 동시에 운영을 가능하게 하기 위해.
• 고속 스위칭 가능한 결정 빛 굴절기를 사용하여 Bragg 반사 기하학에서 유닛을 활용해 최대 6명의 사용자를 동시에 지원할 수 있는 능력을 확장하기 위해.
• 자기-단색화(Self-seeding)를 두 번째 고조파 후처리기(SHAB)를 사용하여 기본 주파수 및 두 번째 고조파 주파수에서 고품질의 단색 복사선을 생성하는 데의 가능성을 입증하기 위해.
• 제안된 시스템이 가역적이며 표준 LCLS 운영에 간섭하지 않으며, 기존 모드로의 안전한 복귀를 보장하기 위해.

제안 방법

• 13번째 유니폴더 세그먼트 뒤에 4m 길이의 자기 치케인을 설치하여 X선 거울 쌍을 삽입하기 위한 공간적 오프셋을 만든다.
• 치케인을 사용하여 유니폴더의 첫 번째 및 두 번째 반절에서 FEL 증폭을 빠르게 전환함으로써 두 사용자 간의 빔 전환을 가능하게 한다.
• 두 유니폴더 반절에서 생성된 두 개의 SASE X선 빔을 공간적으로 분리하기 위해 Bragg 반사 기하학에서 삽입 가능한 X선 거울을 사용한다.
• 고속 작동하는 편광 결정 빛 굴절기를 사용하여 단색 X선을 6개의 다른 실험실로 유도하며, 스위칭 속도는 최대 100 Hz이다.
• SHAB 구성에서 단일 결정 단색화기(monochromator)를 사용하여 기본 주파수 및 두 번째 고조파 주파수에서 좁은 대역폭의 복사선을 생성하는 자기-단색화 방식을 구현한다.
• 전체 FEL 시뮬레이션 도구를 사용하여 시스템 성능을 시뮬레이션하고, 0.8–8 keV 범위에서의 전력, 대역폭 및 안정성과 16 keV에서의 두 번째 고조파 운영을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기본 유니폴더에서 최소한의 하드웨어 수정으로 0.8–8 keV 범위에서 두 개의 포화된 SASE X선 빔을 동시에 생성할 수 있는가?
• RQ2 다른 유니폴더 세그먼트에서 FEL 이득을 제어함으로써 두 사용자 간에 빠르고 가역적인 전환을 달성하는 것이 가능한가?
• RQ3 작은 수의 유니폴더 세그먼트로도 자기-단색화된 SHAB 구성이 기본 주파수 및 두 번째 고조파에서 강력하고 좁은 대역폭의 복사선을 생성할 수 있는가?
• RQ4 제안된 자기-단색화 설정과 SHAB를 사용할 경우 두 번째 고조파에서 도달할 수 있는 최대 전력과 대역폭는 얼마인가?
• RQ5 고속 스위칭 결정 빛 굴절기는 근접 및 원거리 실험실의 6개의 독립된 실험에 대해 효율적이고 고반복률의 빔 분배를 가능하게 하는가?

주요 결과

• 빠른 전환을 통해 첫 번째 및 두 번째 반절의 기본 유니폴더를 순차적으로 활성화함으로써 0.8–8 keV 범위에서 두 개의 포화된 SASE X선 빔을 동시에 생성할 수 있다.
• 제안된 설정은 기존 LCLS 운영에 영향을 주지 않으며, 치케인과 거울을 회수함으로써 표준 모드로 즉각 복귀 가능하므로 두 사용자 운영이 가능하다.
• SHAB를 사용한 자기-단색화 방식은 0.007%의 대역폭과 GW 수준의 전력으로 두 번째 고조파 출력을 생성하며, 단지 다섯 개의 유니폴더 세그먼트로도 성능을 달성한다.
• 모의 실험에서 첫 번째 고조파 전력은 40 GW에 도달하여, 13개의 세그먼트 중 11개를 사용한 컴act한 구성에서도 높은 효율성을 보여준다.
• 결정 빛 굴절기는 100 Hz의 속도로 마이크로라디안 이내의 정밀도로 스위칭 가능하여, 단색 복사선을 사용해 6개의 독립된 실험에 효율적으로 빔을 분배할 수 있다.
• 시스템은 완전히 가역적이며 안전하다. 치케인이 끄져짐으로써 기존 운영 모드로 즉각 복귀 가능하므로 운영의 연속성이 보장된다.