[論文レビュー] Conceptual design of an undulator system for a dedicated bio-imaging beamline at the European X-ray FEL

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2012

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 3被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、自己自己シーディングと新規バンチ技術を用いた40セグメントのトゥーリングドアンジュレータ方式を採用し、3–13 keV範囲で1 TWのピークパワーと2–10 fsのパルス幅を達成する、欧州X線FELにおける専用バイオイメージングビームラインの提案を行う。この設計により、10 nmを超えるタンパク質分子の1ショットコherent回折イメージングが可能となり、生物学的に重要な3–5 keV範囲においても、結晶化を要しない構造生物学分野における世界最高水準の能力を提供する。

ABSTRACT

We describe a future possible upgrade of the European XFEL consisting in the construction of an undulator beamline dedicated to life science experiments. The availability of free undulator tunnels at the European XFEL facility offers a unique opportunity to build a beamline optimized for coherent diffraction imaging of complex molecules, like proteins and other biologically interesting structures. Crucial parameters for such bio-imaging beamline are photon energy range, peak power, and pulse duration. Key component of the setup is the undulator source. The peak power is maximized in the photon energy range between 3 keV and 13 keV by the use of a very efficient combination of self-seeding, fresh bunch and tapered undulator techniques. The unique combination of ultra-high peak power of 1 TW in the entire energy range, and ultrashort pulse duration tunable from 2 fs to 10 fs, would allow for single shot coherent imaging of protein molecules with size larger than 10 nm. Also, the new beamline would enable imaging of large biological structures in the water window, between 0.3 keV and 0.4 keV. In order to make use of standardized components, at present we favor the use of SASE3-type undulator segments. The number segments, 40, is determined by the tapered length for the design output power of 1 TW. The present plan assumes the use of a nominal electron bunch with charge of 0.1 nC. Experiments will be performed without interference with the other three undulator beamlines. Therefore, the total amount of scheduled beam time per year is expected to be up to 4000 hours.

研究の動機と目的

• 結晶化を要しないタンパク質や大規模な生物学的構造物の単一バイオ分子コherent回折イメージングを可能にすること。
• 特に膜タンパク質や結晶化不能なバイオ分子に対して制限を受けるX線ラウンドクロマトグラフィーの限界を克服すること。
• 3–13 keV範囲で超高パワー（1 TW）と超短パルス（2–10 fs）を達成し、イメージングの忠実度を向上させること。
• 欧州XFELのフリーなアンジュレータトンネルを活用して、既存のSASEラインに影響を与えずに専用ビームラインを構築すること。
• 2段階のアップグレード戦略を通じて、3–5 keV範囲での高パワー動作の実現可能性を示し、最終的にバイオイメージング窓全体で1 TWの性能を達成すること。

提案手法

• 高利得と出力のチューナビリティを実現するため、SASE3タイプのアンジュレータセグメントを用いた40セグメントのアンジュレータシステムの設計。
• スペクトル輝度の向上と帯域幅の低減を図るため、自己自己シーディングと新規バンチ技術の実装。
• 出力パワーを約20倍に増幅させるために、飽和後のトゥーリングを適用し、最終的に約1 TWの出力を達成。
• 出力パワーの最大化と安定化を図るため、アンジュレータに沿ったトゥーリング則と電子ビームの横方向サイズの最適化。
• 標準化された部品と段階的導入を活用：第1段階はXTD4トンネルでSASE3アップグレード、第2段階では追加の19セルを追加してハードX線性能を完全に実現。
• 100ショット分の実現シミュレーションを基に、出力パワー、スペクトル、パルス幅、エネルギー安定性のベンチマーク評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 欧州XFELにおける専用アンジュレータビームラインは、3–13 keV範囲で2–10 fsのパルスを有する1 TWのピークパワーを達成できるか？
• RQ2 自己自己シーディング、新規バンチ、およびトゥーリングドアンジュレータ技術の組み合わせは、ピークパワーとスペクトル品質を最大化するためにどれほど効果的か？
• RQ3 1 TW出力を達成しつつ、スペクトル的および時間的安定性を維持するための最適なアンジュレータ長さとトゥーリングプロファイルは何か？
• RQ4 提案されたビームラインは、水窓（0.3–0.4 keV）およびセレン（13 keV）のKエッジにおいて、大規模な生物学的構造物（>10 nm）の高忠実度イメージングを可能にするか？
• RQ5 既存のビームラインに影響を与えずに、完全な性能を達成するための2段階アップグレード戦略の実現可能性はいかがなものか？

主な発見

• 自己自己シーディング、新規バンチ注入、および飽和後のトゥーリングを組み合わせることで、アンジュレータシステムは3–13 keV範囲で約1 TWのピークパワーを達成する。
• パルス幅は2 fsから10 fsの範囲でチューナブルであり、最短パルスは単一生体分子の「破壊前の回折」イメージングを可能にする。
• 出力スペクトルの帯域幅は変化しないまま、最適化されたトゥーリングと電子ビーム形状により、パワーが約20倍に増幅される。
• 飽和は11個目のアンジュレータセグメントで達成され、トゥーリングは10個目のセグメントで開始され、出力パワーを最大化する。
• 最終構成では、年間合計4,000時間のビームタイムを確保し、生命科学実験に専用される。
• アップグレードの第1段階では、ソフトX線範囲（3–5 keV）で1 TWを達成し、3 keVで0.4 TWを達成する。第2段階では、追加の19個のアンジュレータセルにより、3–13 keV範囲全体で1 TWの出力を実現する。