[论文解读] Cost-effective way to enhance the capabilities of the LCLS baseline

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2010

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 8被引用 24

一句话总结

该论文提出一种成本效益高的单束团自种子方案，利用4米磁扭结中的紧凑单晶单色器，在LCLS基线实现傅里叶变换极限、完全相干的X射线脉冲。该方法可实现高达100 GW的高功率、窄带宽辐射，无需精确同步泵浦与探测脉冲，从而解锁全偏振控制、基于晶体的光束偏转以及飞秒时间分辨泵浦-探测实验等先进能力。

ABSTRACT

This paper discusses the potential for enhancing the LCLS hard X-ray FEL capabilities. In the hard X-ray regime, a high longitudinal coherence will be the key to such performance upgrade. The method considered here to obtain high longitudinal coherence is based on a novel single-bunch self-seeding scheme exploiting a single crystal monochromator, which is extremely compact and can be straightforwardly installed in the LCLS baseline undulator. We present simulation results dealing with the LCLS hard X-ray FEL, and show that this method can produce fully-coherent X-ray pulses at 100 GW power level. With the radiation beam monochromatized down to the Fourier transform limit, a variety of very different techniques leading to further improvements of the LCLS performance become feasible. In particular, we describe an efficient way for obtaining full polarization control at the LCLS hard X-ray FEL. We also propose to exploit crystals in the Bragg reflection geometry as movable deflectors for the LCLS X-ray transport systems. The hard X-ray beam can be deflected of an angle of order of a radian without perturbations. The monochromatization of the output radiation constitutes the key for reaching such result. Finally, we describe a new optical pump - hard X-ray probe technique which will allow time-resolved studies at the LCLS baseline on the femtosecond time scale. The principle of operation of the proposed scheme is essentially based on the use of the time jitter between pump and probe pulses. This eliminates the need for timing XFELs to high-power conventional lasers with femtosecond accuracy.

研究动机与目标

• 在不进行重大基础设施改造的前提下，提升LCLS硬X射线FEL脉冲的纵向相干性。
• 通过紧凑、低成本的升级，在100 GW量级实现高功率、完全相干的X射线输出。
• 解锁新型实验能力，如偏振控制、光束偏转和时间分辨泵浦-探测光谱学。
• 在现有LCLS基线配置中，通过最小修改证明自种子方案的可行性。
• 减少时间分辨实验中对泵浦与探测激光之间超精密同步的依赖。

提出的方法

• 在LCLS基线波荡器的4米磁扭结内安装一个布喇格透射几何结构的单晶单色器。
• 该方案利用单个电子束团通过自种子机制生成种子脉冲，避免了时间抖动和同步问题。
• 单色器从SASE FEL辐射中选择窄带宽，实现光谱压缩至傅里叶变换极限。
• 在后续波荡器段中，通过在最后10个单元约1%的锥形调制，将单色种子脉冲放大至100 GW峰值功率。
• 使用X射线镜将来自不同波荡器段的两个SASE脉冲在空间上分离，用于泵浦-探测实验。
• 利用布喇格反射几何结构的晶体偏转器对单色光束进行导引，而不干扰光路。

实验结果

研究问题

• RQ1 采用紧凑单晶单色器的单束团自种子方案是否可在LCLS基线实现傅里叶变换极限、完全相干的X射线脉冲？
• RQ2 该方法是否可在无需电子束绕行或双束团方案的情况下实现100 GW的高功率运行？
• RQ3 单色化如何在极低附加成本下实现实验大厅中的全偏振控制？
• RQ4 单色X射线是否可促进基于晶体的偏转器在光束传输和新型实验大厅配置中的应用？
• RQ5 是否可在无需泵浦与探测激光之间飞秒级同步的情况下实现时间分辨泵浦-探测实验？

主要发现

• 自种子方案实现了处于傅里叶变换极限的完全相干X射线脉冲，显著提升了纵向相干性。
• 在第二个波荡器段（12个单元）中实现了约1.5 GW的峰值功率，通过使用新束团技术有望达到10 GW。
• 当应用于更高电荷模式（如0.25 nC）时，该方法可使峰值亮度提高两个数量级。
• 通过在下游使用X射线相位延迟器，单色化使全偏振控制成为可能，且附加成本极低。
• 利用布喇格反射几何结构的晶体偏转器，可在不引起光束退化的情况下将X射线光束偏转达1弧度，这得益于单色脉冲的窄带宽特性。
• 通过空间分离SASE脉冲的泵浦-探测装置实现了清晰的光谱分离（0.1501 nm 和 0.1527 nm），使得无需精确时间同步即可开展时间分辨研究。