[论文解读] A simple method for controlling the line width of SASE X-ray FELs

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2010

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 9被引用 33

一句话总结

本文提出一种紧凑的单束团自种子方案，用于SASE X射线自由电子激光器（FEL），利用晶体在透射几何结构中产生窄带宽、高相干性的X射线脉冲。通过利用晶体的带阻滤波响应以及一个短磁弯曲装置实现时间窗口化，该方法在无需光路延迟或复杂光束旁路的情况下，将谱线带宽降低至10⁻⁵，从而实现单色输出，且对基线波荡器系统的硬件改动极小。

ABSTRACT

This paper describes a novel single-bunch self-seeding scheme for generating highly monochromatic X-rays from a baseline XFEL undulator. Previous schemes made use of a four-crystal fixed-exit monochromator in Bragg geometry. In such monochromator the X-ray pulse acquires a cm-long path delay, which must be compensated. For a single-bunch self-seeding scheme this requires a long electron beam bypass, implying modifications of the baseline undulator configuration. To avoid this problem, a double bunch self-seeding scheme based on a special photoinjector setup was recently proposed. At variance, here we propose a new time-domain method of monochromatization exploiting a single crystal in the transmission direction, thus avoiding the problem of extra-path delay for the X-ray pulse. The method can be realized using a temporal windowing technique, requiring a magnetic delay for the electron bunch only. The proposed setup is extremely simple and composed of as few as two simple elements. These are the crystal and the short magnetic chicane, which accomplishes three tasks by itself. It creates an offset for crystal installation, it removes the electron micro-bunching produced in the first undulator, and it acts as a delay line for temporal windowing. Using a single crystal installed within a short magnetic chicane in the baseline undulator, it is possible to decrease the bandwidth of the radiation well beyond the XFEL design down to 10E-5. The installation of the magnetic chicane does not perturb the undulator focusing system and does not interfere with the baseline mode of operation. We present feasibility study and exemplifications for the SASE2 line of the European XFEL.

研究动机与目标

• 为解决SASE X射线FEL纵向相干性差的问题，其谱线带宽远超过傅里叶变换极限。
• 克服先前自种子方案的局限性，这些方案因固定出射单色仪中厘米量级的X射线光路延迟，而需要长电子束旁路。
• 开发一种紧凑、低成本的方法，仅使用单个晶体和最小的磁弯曲装置，生成高度单色的X射线。
• 实现在欧洲XFEL的SASE2调试阶段安装，且不干扰基线运行或需要对波荡器系统进行重大重新配置。

提出的方法

• 使用单晶在透射几何结构中作为带阻滤波器，产生窄带吸收共振，将X射线脉冲整形为长单色尾迹。
• 晶体置于短磁弯曲装置内，该装置同时实现电子束团延迟、去除第一段波荡器产生的微束团结构，并实现精确的时间窗口化。
• 该方法基于衍射的动力学理论和Kramers-Kronig关系，对透射辐射脉冲的相位与振幅响应进行建模。
• X射线脉冲经晶体透射后形成的单色尾迹，与进入第二段波荡器前的延迟电子束团结合，实现高增益放大。
• 该系统作为时间窗口化方案运行：仅X射线脉冲的长而相干的尾迹部分与延迟电子束团重叠，确保种子光功率远高于散粒噪声。
• 整个装置仅需两个组件——晶体和短磁弯曲装置——因此易于对准并可轻松集成到现有的FEL基础设施中。

实验结果

研究问题

• RQ1 在透射几何结构中，单晶是否可替代复杂的四晶Bragg单色仪，用于自种子FEL，且不引入X射线光路延迟？
• RQ2 在不使用电子束旁路的情况下，是否可行实现低于10⁻⁵的相对谱线带宽？
• RQ3 短磁弯曲装置是否能同时实现电子束团延迟、微束团结构去除和晶体安装位置的精确偏移？
• RQ4 在Bragg衍射条件下，透射X射线脉冲的时间波形如何表现？其是否能有效支持种子激发？
• RQ5 脉冲持续时间对带阻滤波器有效性及长脉冲工作模式下单色尾迹形成的影响如何？

主要发现

• 所提方法实现了10⁻⁵的相对谱线带宽，显著低于典型SASE FEL带宽，接近傅里叶变换极限。
• 晶体的透射谱表现出窄带吸收共振，将X射线脉冲转化为长单色尾迹，其功率远高于散粒噪声。
• 短磁弯曲装置成功实现三项功能：延迟电子束团、去除第一段波荡器产生的微束团结构、为晶体安装提供稳定偏移。
• 该方案完全避免了X射线光路延迟，消除了先前单束团自种子方法中所需的60米电子束旁路。
• 该方法在短脉冲和长脉冲模式下均具备可行性，光谱和时间波形中均可清晰观察到带阻滤波效应和单色尾迹形成。
• 该方法与基线波荡器配置兼容，可在欧洲XFEL的SASE2调试阶段安装，有望于2014年底投入运行。