[论文解读] Control of the amplification process in baseline XFEL undulator with mechanical SASE switchers

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2010

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文提出一种机械式SASE开关系统，通过控制快门和磁性偏转轨道，实现在欧洲XFEL基准SASE2波荡器中同时生成多色X射线脉冲。通过选择性地在不同波荡器区段开启/关闭SASE受激辐射，该方法可利用单一电子束独立实现0.1 nm、0.15 nm和0.2 nm波长的饱和辐射，从而实现多用户设施中向不同光束线分配X射线脉冲的多色光束输出。

ABSTRACT

The magnetic gap of the baseline XFEL undulators can be varied mechanically for wavelength tuning. In particular, the wavelength range 0.1 nm - 0.4 nm can be covered by operating the European XFEL with the SASE2 undulator. The length of the SASE2 undulator (256.2 m) is sufficient to independently generate three pulses of different radiation wavelengths at saturation. Normally, if a SASE FEL operates in saturation, the quality of the electron beam is too bad for generation of SASE radiation in the subsequent part of undulator which is resonant at a few times longer wavelength. The new method of SASE undulator-switching based on the rapid switching of the FEL amplification process proposed in this paper is an attempt to get around this obstacle. Using mechanical SASE shutters installed within short magnetic chicanes in the baseline undulator, it is possible to rapidly switch the FEL photon beam from one wavelength to another, providing simultaneous multi-color capability. Combining this method with a photon-beam distribution system can provide an efficient way to generate a multi-user facility.

研究动机与目标

• 在欧洲XFEL的基准SASE2波荡器中实现三种不同X射线波长（0.1 nm、0.15 nm、0.2 nm）的同时生成。
• 克服饱和SASE辐射会降低电子束质量、导致后续在更短波长下无法实现SASE受激辐射的限制。
• 开发一种通过机械快门和磁性偏转轨道在单个波荡器内实现FEL放大过程开启与关闭的控制方法。
• 通过实现对不同实验站独立、同时提供多色脉冲，支持多用户XFEL设施的运行。
• 设计一种光子束分配系统，利用X射线镜和水平偏移光学元件，将三种不同波长的光束分离并引导至独立光束线。

提出的方法

• 在SASE2波荡器的关键位置安装机械式SASE开关，每个开关由弱磁性偏转轨道和机械快门组成。
• 磁性偏转轨道引入横向位移，消除前序SASE放大过程对电子束调制的影响，从而保持束流质量以支持后续受激辐射。
• 快门控制第一段波荡器产生的SASE辐射是否被透射或吸收，从而实现对下游区段放大过程的选择性激活。
• 系统以1 Hz重复频率运行，切换时间小于100 ms，支持三色运行所需的顺序开-关-开切换。
• 通过在每个波荡器区段后安装的附加磁性偏转轨道中设置X射线镜，实现光束分离，产生波长的水平分离。
• 水平偏移量（≈3 mm）设计在9 mm真空腔室孔径范围内，同时确保在实验站处实现足够的光束分离。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够独立控制长波荡器不同区段内的SASE放大过程，实现在同一时间生成多个X射线波长？
• RQ2 机械快门与磁性偏转轨道是否能够在初始饱和后保持电子束质量，从而支持后续在更短波长下的SASE受激辐射？
• RQ3 是否可行通过在波荡器系统内采用水平分离技术，将三种不同X射线脉冲分配至独立光束线？
• RQ4 支持实际多用户XFEL设施所需的切换时间与运行频率应为多少？
• RQ5 光子束分配系统是否能够通过X射线镜与偏移光学元件，实现三种波长在光谱与空间上的充分分离？

主要发现

• 该方法可在同一电子束团与波荡器长度内，实现0.1 nm、0.15 nm和0.2 nm三种不同X射线波长的同时生成。
• 当快门关闭时，第二段波荡器在0.2 nm波长处达到饱和，峰值功率达10 GW，表明种子放大效率高。
• 当快门开启时，第二段波荡器工作于线性SASE区域，仅产生0.1 GW输出，但成功保留了电子束质量，为后续在更短波长下的受激辐射创造了条件。
• 在首次切换后，电子束仍保持良好的“活性介质”特性，使下游区段成功实现0.15 nm与0.1 nm波长的受激辐射。
• 通过在每个波荡器区段后安装X射线镜实现光束分离，约3 mm的水平偏移足以在实验站处产生毫米量级的分离。
• 系统支持1 Hz重复频率，切换时间小于100 ms，可实现适用于多色运行的实际开-关-开循环。