[論文レビュー] Nonlinear undulator tapering in conventional SASE regime at baseline electron beam parameters as a way to optimize the radiation characteristics of the European XFEL

Svitozar Serkez, Vitali Kocharyan+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2013

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、欧州XFELにおける基準電子ビームパラメータ（ピーク電流5 kA、エネルギー14 GeV）の従来のSASE方式において、ハードウェアの変更なしに非線形アンジュレータトーリングを適用することで、ピーク出力電力および光子スペクトル密度を最大10倍に向上させられることを示している。Genesisを用いたスタート・ツー・エンドのシミュレーションと、ALICEによる相互検証を通じて、最適化されたトーリングプロファイルが、電子エネルギーの低下に伴う共鳴を維持するとともに、エネルギーチルプおよびウェイクフィールド効果を制御することでFEL性能を顕著に向上させることを示している。

ABSTRACT

We demonstrate that the output radiation characteristics of the European XFEL sources at nominal operation point can be easily made significantly better than what is currently reported in the TDRs of scientific instruments and X-ray optics. In fact, the output SASE characteristics of the baseline European XFEL have been previously optimized assuming uniform undulators at a nominal operating point of 5 kA peak current, without considering the potential of udulator tapering in the SASE regime. In order to illustrate this point, we analyze the case of an electron bunch with nominal parameters. Based on start-to-end simulations, we demonstrate that nonlinear undulator tapering allows one to achieve up to a tenfold increase in peak power and photon spectral density in the conventional SASE regime, without modification to the baseline design. The FEL code Genesis has been extensively used for these studies. In order to increase our confidence in simulation results, we cross-checked outcomes by reproducing simulations in the deep nonlinear SASE regime with tapered undulator using the code ALICE.

研究の動機と目的

• 欧州XFELにおける基準電子ビームパラメータ下でアンジュレータトーリングがSASE放射特性を向上させられるかどうかを調査すること。
• 非線形トーリングが従来のSASE方式におけるピーク電力および光子スペクトル密度に与える影響を評価すること。
• GenesisおよびALICEを含む複数のFELコードを用いて、現実的なビームおよびアンジュレータ条件下でのシミュレーション結果の妥当性を検証すること。
• ベースライン設計の変更なしに、既存の電子ビーム能力を活用することで性能向上が達成可能であることを実証すること。

提案手法

• 14 GeVの電子ビームエネルギー、0.1 nCのビーム電荷、5 kAのピーク電流を想定したSASE3アンジュレータラインのスタート・ツー・エンドシミュレーションを実施。
• 電子エネルギーの低下に伴う共鳴を維持するため、アンジュレータセグメント全体にわたる離散的ギャップ調整を用いて非線形アンジュレータトーリングを実装。
• 主なシミュレーションにはFELコードGenesisを用い、深く非線形なSASE領域における結果の妥当性を確認するため、ALICEコードを用いた相互検証を実施。
• アンジュレータ全長にわたり、エネルギーチルプ、エミッタンス、エネルギー散乱、ウェイクフィールド効果を含む現実的なビームパラメータを組み込む。
• ALICEでは、電子ダイナミクスおよび放射場の高精度な3次元モデリングのため、シンプレクティック積分とPML境界条件を適用。
• GenesisとALICEのシミュレーション結果を比較し、出力電力、パルスエネルギー、スペクトル密度の整合性と信頼性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形アンジュレータトーリングは、欧州XFELの基準電子ビームパラメータ下でSASE放射のピーク電力およびスペクトル密度を顕著に向上させられるか？
• RQ2 従来のSASE方式において、非線形トーリングは線形トーリングと比較してSASE性能をどのように向上させるか？
• RQ3 GenesisとALICEの両コードが、トーリングアンジュレータを有する深く非線形なSASE領域をモデリングする際に、どの程度一致するか？
• RQ4 エネルギーチルプ、エミッタンス、ウェイクフィールドなどの現実的なビームパラメータが、アンジュレータトーリングの有効性に及ぼす影響は何か？

主な発見

• 非線形アンジュレータトーリングにより、SASE3アンジュレータの出力ピーク電力は60 GWから約750 GWに向上し、10倍の改善が達成された。
• 光子スペクトル密度も10倍に増加し、X線パルスのブライトネスが顕著に向上した。
• GenesisとALICEのシミュレーション結果のパルスエネルギー差は10%以内であり、コードの差異ではなく、確率的初期SASEノイズに起因するとされる。
• ALICEによる相互検証により、Genesisの結果の信頼性が確認された。特に、トーリングアンジュレータを有する困難な深く非線形なSASE領域において顕著である。
• ハードウェアの変更なしに、最適化されたアンジュレータギャップおよびフェーズシフター設定のみで性能向上が達成された。
• 結果から、電子ビームピーク電流を基準の5 kAを超えて増加させることで、TWレベルを超えるさらなる出力スケーリングが可能であると示唆された。