[论文解读] Circular polarization control for the LCLS baseline in the soft X-ray regime

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

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 3被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种低成本、易于实施的方法，可在软X射线波段的基频谐波处产生10 GW级、99%圆偏振度的X射线，利用LCLS基线配置。通过在平面波荡器下游40米直管段后插入一个5米长的APPLE II型螺旋波荡器，预先存在的微脉冲结构得以保持，从而实现高偏振纯度的相干辐射发射，且对基线运行影响极小。

ABSTRACT

The LCLS baseline includes a planar undulator system, producing linearly polarized light in the range 0.15-1.5 nm. Polarization control in the soft X-ray region from linear to circular is highly desirable. Several schemes using helical undulators have been discussed for the LCLS. One consists in replacing three of the last planar undulator segments by APPLE III. A second proposal, the 2nd harmonic helical afterburner, uses short, crossed undulators tuned to the second harmonic. This last scheme is expected to be the better one. Its advantages are a high and stable degree of circular polarization and a low cost. Its disadvantage is a small output power and a narrow wavelength range. We propose a novel method to generate 10 GW level power at the fundamental harmonic with 99% degree of circular polarization from the LCLS baseline. Its merits are low cost, simplicity and easy implementation. After the baseline undulator, the electron beam is sent through a 40 m long straight section, and subsequently passes through a short APPLE II radiator. The microbunch structure is easily preserved, and intense coherent radiation is emitted in the helical radiator. The background radiation from the baseline undulator is suppressed by letting radiation and electrons through horizontal and vertical slits upstream the helical radiator, where the radiation spot size is about ten times larger than the electron bunch transverse size. Using thin Beryllium foils for the slits the divergence of the electron beam halo increases by Coulomb scattering, but the beam will propagate through the setup without electron losses. The applicability of our method is not restricted to the LCLS baseline setup. LCLS II or the European XFEL may benefit from this work as well, due to availability of sufficiently long free space at the end of undulator tunnel.

研究动机与目标

• 在LCLS基线配置下实现软X射线波段的高保真圆偏振度控制，这对研究超快磁现象和材料特性至关重要。
• 通过引入实用的偏振控制方案，解决LCLS基线平面波荡器仅产生线性偏振辐射的局限性。
• 在不损害基线运行或无需重大重新设计的前提下，实现在10 GW峰值功率下超过99%的圆偏振度。
• 开发一种成本低廉、风险低的解决方案，兼容现有LCLS基础设施，并可轻松部署于其他XFEL设施。

提出的方法

• 在基线平面波荡器后插入一个40米长的直管段，以在螺旋辐射器之前保持电子束微脉冲结构。
• 在下游安装一个5米长的APPLE II型螺旋波荡器，调谐至基频谐波（1.5 nm），利用预调制的电子束产生相干圆偏振辐射。
• 在螺旋波荡器上游设置水平和垂直光阑，利用辐射光斑尺寸远大于电子束横截面尺寸的特性，抑制来自基线波荡器的背景辐射。
• 使用薄的金属铍片作为光阑，通过库仑散射增加电子束晕的发散角，从而在最小化电子损失的同时过滤掉不需要的辐射。
• 该方法依赖于平面波荡器中的SASE过程产生微脉冲结构，随后在螺旋辐射器中相干利用该结构，产生高强度、圆偏振的脉冲。
• 该方案设计为非侵入式：不改变基线波荡器的运行，且可快速安装，停机时间极短。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过紧凑的下游螺旋波荡器，在软X射线波段的基频谐波处实现超过99%的圆偏振度？
• RQ2 基线平面波荡器产生的微脉冲结构是否能在40米直管段内保持，以支持后续螺旋辐射器中的相干辐射？
• RQ3 能否在不造成显著电子束损失的情况下，有效抑制来自基线波荡器的背景辐射？
• RQ4 该配置下可实现的圆偏振辐射的峰值功率和光谱带宽分别是多少？
• RQ5 所提出的方案是否具有成本效益、安全性高，并与现有XFEL基础设施（如LCLS或欧洲XFEL）兼容？

主要发现

• 所提出的方案在基频谐波（1.5 nm）处实现了约10 GW的峰值功率，与基线LCLS波荡器的饱和功率相匹配。
• 圆偏振度达到99%，显著超过以往基于谐波方案的90%极限，接近理论最大值。
• 该方法保持了LCLS波荡器的基线运行，因为螺旋辐射器安装在下游，不干扰原始电子束路径或调谐设置。
• 通过在螺旋波荡器上游设置光阑，有效抑制了背景辐射，此时辐射光斑尺寸约为电子束横截面尺寸的十倍。
• 尽管使用了薄金属铍片导致库仑散射，电子束损失仍被最小化，因为束流晕的发散角增加，而核心束流损失可忽略。
• 该方案具有可扩展性，适用于其他XFEL设施（如LCLS II和欧洲XFEL），前提是波荡器隧道末端存在足够长的自由空间。