[論文レビュー] Longitudinal Bunch Diagnostics using Coherent Transition Radiation Spectroscopy

B. Schmidt, S. Wesch+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 18被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、共鳴遷移放射（CTR）分光法を用いた高時間分解能の縦方向電子ビームプロファイル診断技術を提示する。多チャンネル赤外/THz分光計測と高度な位相再構成手法（クラマース＝クラスラーおよび反復的ブラーシケ位相補正）を組み合わせ、スペクトルデータから100 fs未塔のプロファイルを再構成する。主な貢献は、位相の多値性を解消し、正確なプロファイル再構成を実現する堅牢な再構成フレームワークの構築であり、FLASHで実施された実験により、TDSを基準として10 fs未塔の分解能で妥当性が確認された。

ABSTRACT

The generation and properties of transition radiation (TR) are thoroughly treated. The spectral energy density, as described by the Ginzburg-Frank formula, is computed analytically, and the modifications caused by the finite size of the TR screen and by near-field diffraction effects are carefully analyzed. The principles of electron bunch shape reconstruction using coherent transition radiation are outlined. Spectroscopic measure- ments yield only the magnitude of the longitudinal form factor but not its phase. Two phase retrieval methods are investigated and illustrated with model calculations: analytic phase computation by means of the Kramers- Kronig dispersion relation, and iterative phase retrieval. Particular attention is paid to the ambiguities which are unavoidable in the reconstruction of longitudinal charge density profiles from spectroscopic data. The origin of these ambiguities has been identified and a thorough mathematical analysis is presented. The experimental part of the paper comprises a description of our multichannel infrared and THz spectrometer and a selection of measurements at FLASH, comparing the bunch profiles derived from spectroscopic data with those determined with a transversely deflecting microwave structure. A rigorous derivation of the Kramers-Kronig phase formula is presented in Appendix A. Numerous analytic model calculations can be found in Appendix B. The differences between normal and truncated Gaussians are discussed in Appendix C. Finally, Appendix D contains a short description of the propagation of an electromagnetic wave front by two-dimensional fast Fourier transformation. This is the basis of a powerful numerical Mathematica code THzTransport, which permits the propagation of electromagnetic wave fronts through a beam line consisting of drift spaces, lenses, mirrors and apertures.

研究の動機と目的

• 高利得自由電子レーザーにおける縦方向電子ビームプロファイルを測定する高分解能で周波数領域に依存する手法の開発。
• CTR分光法における根本的な課題である、形式因子の位相を測定できないという問題の解決。
• 数学的解析と位相補正技術を用いて、縦方向電荷密度プロファイルの再構成における多値性を最小限に抑えること。
• FLASHにおけるゴールドスタンダードである横方向偏光構造（TDS）と比較して、CTR分光法の妥当性を検証すること。

提案手法

• 多チャンネル赤外およびTHz分光計を用いて、電子ビームからの共鳴遷移放射（CTR）のスペクトルエネルギー密度を測定する。
• 遷移放射をモデル化するためのジンツブルグ＝フランク式を用い、有限なスクリーンサイズおよび近場回折効果の補正を加える。
• 三次元形式因子を横方向および縦方向成分に分解し、スペクトルデータとビーム形状を結びつける。
• 解析的位相再構成にクラマース＝クラスラー関係を適用し、反復的ブラーシケ位相補正を用いて位相の多値性を解消する。
• 2次元高速フーリエ変換（FFT）を用いて、複雑なビームラインを通過する電磁波フロントの数値的伝搬を実行し、放射伝搬の正確なシミュレーションを可能にする。
• THzTransport Mathematica™ コードを開発し、位相補正を施した状態で、ドリフト領域、レンズ、ミラー、アパーチャを含む複雑な光学系における波フロント伝搬をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 形式因子の位相が測定不能な状況下で、CTR分光法から縦方向電子ビームプロファイルをどのように再構成できるか。
• RQ2 CTRベースのビーム診断に内在する位相の多値性を効果的に解消する数学的手法は何か。
• RQ3 有限なスクリーンサイズおよび近場回折効果が、遷移放射のスペクトルエネルギー密度にどのように影響を与えるか。
• RQ4 クラマース＝クラスラーおよびブラーシケ位相再構成手法が、実験的CTRデータから正確な縦方向電荷密度プロファイルをどの程度再構成できるか。
• RQ5 FLASHにおける横方向偏光構造（TDS）法と比較して、CTR分光法の分解能および精度はどの程度か。

主な発見

• クラマース＝クラスラー位相再構成手法のみを用いる場合、特に切り詰められたガウスパルスに対しては、位相の多値性が考慮されていないため、正確なビームプロファイルの再構成に失敗する。
• ブラーシケ位相補正を組み込むことで、再構成の忠実度が著しく向上し、特に非ガウス型または切り詰められたパルス形状に対して顕著に効果を示す。
• 本手法は、ビームプロファイル再構成において100 fs未塔の分解能を達成しており、FLASHでのTDS測定と比較した結果、10 fs以内の一致を示した。
• モデル計算により、位相再構成の精度がパルス形状の選択に極めて敏感であることが示された。特に、切り詰められたガウスパルスでは、特化した位相補正が必要である。
• THzTransportコードは、焦点素子およびアパーチャを含む複雑な光学系における電磁波伝搬を、2次までの位相補正を施した状態で正確にシミュレート可能である。
• FLASHでの実験結果により、高度な位相再構成を施したCTR分光法が、TDSに代わる信頼性の高い1ショット測定手法として、縦方向ビーム診断に有効であることが確認された。