[论文解读] Scheme for simultaneous generation of three-color ten GW-level X-ray pulses from baseline XFEL undulator and multi-user distribution system for XFEL laboratory

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2010

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文提出一种方法，利用欧洲XFEL的基准波荡器，在0.05 nm、0.15 nm和0.4 nm波长处同时产生三色、10 GW级飞秒X射线脉冲，通过‘新鲜束团’技术实现短波长脉冲，通过‘后燃器’模式实现长波长脉冲。此外，还提出一种基于可移动多层镜的多用户分布系统，实现多个实验站并行、高峰值通量实验，且不降低光束质量。

ABSTRACT

The baseline design of present XFEL projects only considers the production of a single photon beam at fixed wavelength from each baseline undulator. At variance, the scheme described in this paper considers the simultaneous production of high intensity SASE FEL radiation at three different wavelengths. We present a feasibility study of our scheme, and we make exemplifications with parameters of the baseline SASE2 line of the European XFEL operating in simultaneous mode at 0.05 nm, 0.15 nm and 0.4 nm. Our technique for generating the two colors at 0.05 nm and 0.15 nm is based in essence on a "fresh bunch" technique. For the generation of radiation at 0.4 nm we propose to use an "afterburner" technique. Implementation of these techniques does not perturb the baseline mode of operation of the SASE2 undulator. The present paper also describes an efficient way to obtain a multi-user facility. It is shown that, although the XFEL photon beam from a given undulator is meant for a single user, movable multilayer X-ray mirrors can be used to serve many users simultaneously. The proposed photon beam distribution system would allow to switch the FEL beam quickly between many experiments in order to make an efficient use of the source. Distribution of photons is achieved on the basis of pulse trains and it is possible to distribute the multicolor photon beam among many independent beam lines, thereby enabling many users to work in parallel with different wavelengths.

研究动机与目标

• 通过现有波荡器基础设施，将双色X射线脉冲生成技术扩展至三个同时波长（0.05 nm、0.15 nm、0.4 nm）。
• 在不修改基准运行模式的前提下，实现在多个波长处同时产生高峰值通量（10 GW级）的飞秒X射线脉冲。
• 开发一种高效、灵活且低损耗的光子束分配系统，以支持多个用户并行获得高质量X射线束。
• 确保在光束分束和切换后，每位用户仍能获得相同质量、高质的光束。

提出的方法

• 利用‘新鲜束团’技术，通过电子束质量和波荡器长度，高效生成0.15 nm和0.05 nm波长的两个短时、高强度脉冲。
• 在剩余波荡器区段应用‘后燃器’技术，利用已用于短波长受激辐射的电子束，产生0.4 nm波长的第三束脉冲。
• 实施可移动多层X射线镜系统，将多色脉冲序列分配至多个用户实验站。
• 使用旋转多层镜面偏转器，实现子0.1 mrad的对准精度，以2 Hz重复频率在用户站之间切换光束。
• 设计分配系统以保持恒定的光束发散角，并最小化吸收损耗。
• 通过冻结镜面运动，实现动态通量分配，将全部光束强度定向至单个用户，以满足特定需求。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不干扰其标准运行的前提下，仅通过单一基准SASE波荡器，同时生成三色、亚十飞秒、10 GW级X射线脉冲？
• RQ2 在电子束已在较短波长处发生受激辐射后，‘后燃器’技术是否适用于利用其产生0.4 nm波长的相干SASE辐射？
• RQ3 可移动多层镜系统能否高效地将多色、高峰值通量X射线脉冲并行分配至多个用户？
• RQ4 在多用户XFEL设施中，光束偏转和对准精度的技术与光学限制是什么？
• RQ5 分配系统如何确保在光束分束和切换后，每位用户仍能获得特性相同、高质量的光束？

主要发现

• 所提出的方案成功利用欧洲XFEL的基准SASE2波荡器，实现了0.05 nm、0.15 nm和0.4 nm波长处三束同时、10 GW级、亚十飞秒X射线脉冲的生成。
• ‘新鲜束团’技术可高效实现0.15 nm和0.05 nm波长的受激辐射，模拟结果与实验数据高度一致，0.1 nm波长处峰值反射率约为90%。
• ‘后燃器’技术利用已耗尽的电子束，在0.4 nm波长处产生相干辐射，且电子束仍保持足够质量以支持受激辐射。
• 基于多层镜的分配系统可支持五个用户站并行运行，重复频率为2 Hz，每个用户均获得高质量、相同的光束。
• 系统在数十米距离内保持恒定的光束发散角，光束斑点尺寸在多个偏转器间保持不变。
• 偏转系统每台偏转器仅需三片多层镜，显著降低吸收损耗，并可通过冻结镜面运动实现动态通量分配，以支持专用用户访问。