[论文解读] Extension of SASE bandwidth up to 2% as a way to increase the efficiency of protein structure determination by x-ray nanocrystallography at the European XFEL

Svitozar Serkez, Vitali Kocharyan+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2013

Enzyme Structure and Function被引用 3

一句话总结

该论文表明，通过将欧洲X射线自由电子激光器（European XFEL）的SASE带宽提高至2%——即对0.25 nC电子束团进行强烈压缩以达到45 kA峰值电流——可显著提升单次衍射图像中可探测的布拉格峰数量，从而大幅提高X射线纳米晶体学中蛋白质结构解析的效率。模拟结果表明，带宽相比正常运行状态提升了十倍，可在6 keV波段实现高达1 TW的峰值功率和2.5 mJ的脉冲能量，非常适合用于纳米晶体学，且能显著提高索引成功率。

ABSTRACT

Femtosecond x-ray nanocrystallography exploiting XFEL radiation is an emerging method for protein structure determination using crystals with sizes ranging from a few tens to a few hundreds nanometers. Crystals are randomly hit by XFEL pulses, producing diffraction patterns at unknown orientations. One can determine these orientations by studying the diffraction patterns themselves, i.e. by indexing the Bragg peaks. The number of indexed individual images and the SASE bandwidth are inherently linked, because increasing the number of Bragg peaks per individual image requires increasing the bandwidth of the spectrum. This calls for a few percent SASE bandwidth, resulting in an increase in the number of indexed images at the same number of hits. Based on start-to-end simulations for the baseline of the European XFEL, we demonstrate here that it is possible to achieve up to a tenfold increase in SASE bandwidth, compared with the nominal mode of operation. This provides a route for further increasing the efficiency of protein structure determination at the European XFEL. We illustrate this concept with simulations of lysozyme nanocrystals.

研究动机与目标

• 为解决X射线纳米晶体学中每次图像中布拉格峰数量过少的问题，该问题限制了索引成功率和数据处理效率。
• 探究将SASE带宽提升至超过标称值0.2%是否能显著提高来自纳米晶体的可索引衍射图案数量。
• 通过端到端模拟证明，将电子束团压缩至45 kA峰值电流可使SASE带宽提升十倍，达到2%。
• 验证在仅使用现有波荡器基础设施的前提下，能否在2–6 keV范围内实现1 TW的峰值功率和2.5 mJ的脉冲能量。
• 证明该增强带宽模式无需额外硬件即可实现，仅依赖现有SASE3波荡器装置的优化配置。

提出的方法

• 对欧洲X射线自由电子激光器的基准装置进行了端到端模拟，重点研究SASE3波荡器光路，包含21个波荡器单元。
• 采用电荷为0.25 nC的电子束团，压缩至45 kA峰值电流，以激发强烈的尾场效应，从而展宽SASE辐射带宽。
• 通过100次单次事件的统计平均，模拟辐射功率、能量和谱带宽随波荡器长度的变化。
• 分析输出辐射的空间和光谱分布，包括光束尺寸、发散角以及单位面积能量，以评估其在纳米晶体学中的适用性。
• 模拟了在2%带宽脉冲下溶菌酶纳米晶体的衍射响应，以评估峰数和索引潜力。
• 将结果与标称运行状态（0.2%带宽）进行对比，量化在峰探测和数据处理效率方面的提升。

实验结果

研究问题

• RQ1 将欧洲X射线自由电子激光器的SASE带宽提升至2%是否能显著提高纳米晶体学中单次衍射图像的可探测布拉格峰数量？
• RQ2 当电子束团压缩至45 kA峰值电流时，SASE带宽的最大可实现值是多少？其对应的辐射参数如何？
• RQ3 与标称的0.2%带宽模式相比，2%带宽脉冲是否能实现更高数量的可索引衍射图案？
• RQ4 仅使用现有波荡器基础设施，是否能在2–6 keV范围内实现所需的1 TW峰值功率和2.5 mJ脉冲能量？
• RQ5 在高功率峰值电流和宽谱带宽下运行时，光束质量和光谱特性存在哪些权衡？

主要发现

• 通过端到端模拟确认，将电子束团压缩至45 kA峰值电流可实现SASE带宽从0.2%提升至2%，即十倍增长。
• 输出辐射脉冲能量达到约2.5 mJ，脉冲持续时间为3 fs，在2–6 keV光子能量范围内峰值功率可达1 TW。
• 辐射光束呈现垂直尺寸约50 μm、水平尺寸约100 μm，由于横向电子束不对称性导致发散角不对称。
• 平均SASE光谱显示2%的相对带宽，能量波动和功率演化在100次单次事件中保持稳定。
• 2%带宽模式可显著提升单次图像中的布拉格峰数量，直接改善纳米晶体学中的索引成功率和数据处理效率。
• 所提出的运行模式无需额外硬件，仅依赖优化的电子束团压缩和现有SASE3波荡器配置即可实现。