[论文解读] Extension of self-seeding to hard X-rays >10 keV as a way to increase user access at the European XFEL

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2011

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文提出通过单晶单色仪与波荡器削峰技术扩展自种子技术，在欧洲X射线自由电子激光器（European XFEL）上产生100 GW、变换极限、单色的硬X射线，能量为16 keV。通过利用高单色性以及压电器件实现的快速晶体切换，该方案实现了光子束分配系统，可将同一高重复率束流同时分配至多达10个独立实验，显著提升用户容量，且无需修改基础设施。

ABSTRACT

We propose to use the self-seeding scheme with single crystal monochromator at the European X-ray FEL to produce monochromatic, high-power radiation at 16 keV. Based on start to end simulations we show that the FEL power of the transform-limited pulses can reach about 100 GW by exploiting tapering in the tunable-gap baseline undulator. The combination of high photon energy, high peak power, and very narrow bandwidth opens a vast new range of applications, and includes the possibility to considerably increase the user capacity and fully exploit the high repetition rate of the European XFEL. In fact, dealing with monochromatic hard X-ray radiation one may use crystals as deflectors with minimum beam loss. To this end, a photon beam distribution system based on the use of crystals in the Bragg reflection geometry is proposed for future study and possible extension of the baseline facility. They can be repeated a number of times to form an almost complete (one meter scale) ring with an angle of 20 degrees between two neighboring lines. The reflectivity of crystal deflectors can be switched fast enough by flipping the crystals with piezo-electric devices similar to those for X-ray phase retarders at synchrotron radiation facilities. It is then possible to distribute monochromatic hard X-rays among 10 independent instruments, thereby enabling 10 users to work in parallel. The unmatched repetition rate of the European XFEL would be therefore fully exploited.

研究动机与目标

• 解决由于SASE自由电子激光辐射的带宽特性导致的欧洲XFEL用户访问受限问题。
• 克服高效分配高重复率、高功率X射线脉冲至多个用户同时使用的挑战。
• 通过创建适合多用户光束线分配的单色光束，充分发挥欧洲XFEL 10 Hz重复率的潜力。
• 开发一种可扩展、快速切换的光子束分配系统，采用布喇格反射几何结构的晶体偏转器。
• 证明高光子能量（>10 keV）与窄谱带宽可实现晶体束路由中的最小吸收与高反射率。

提出的方法

• 采用两阶段自种子方案，利用单晶单色仪将SASE带宽压缩至16 keV处的变换极限脉冲。
• 在可调间隙基线波荡器中应用波荡器削峰，将单色种子脉冲放大至约100 GW的峰值功率。
• 利用初始辐射的二次谐波作为新种子，在第二段波荡器中被放大，该段波荡器调谐至0.075 nm（16 keV），并采用削峰间隙。
• 设计基于压电驱动切换的晶体偏转器的光束分配系统，采用布喇格反射几何结构，实现反射光束的快速开/关切换。
• 将多个晶体偏转器排列成近似圆形环形结构（相邻线条间夹角20°），以将光束路由至10个独立仪器。
• 利用约0.007%的窄谱带宽和16 keV X射线的高穿透性，通过0.05 mm厚的钻石晶体实现约99%的反射率与极低吸收。

实验结果

研究问题

• RQ1 自种子与波荡器削峰技术能否扩展至10 keV以上的硬X射线，以实现高脉冲峰值功率与窄带宽？
• RQ2 在不修改现有基线波荡器配置的前提下，能否在欧洲XFEL上产生16 keV的单色、高功率X射线脉冲？
• RQ3 在布喇格几何结构中，基于晶体的偏转器能否实现高能光子下的快速、高效、低损耗光束切换，以支持多用户运行？
• RQ4 通过单色光束分配至多个实验，欧洲XFEL的高重复率在多大程度上可被充分利用？
• RQ5 在16 keV波段结合自种子与波荡器削峰技术时，所生成的变换极限脉冲的峰值功率与光谱纯度可达何种水平？

主要发现

• 所提出的方案通过自种子与波荡器削峰技术，在16 keV（0.075 nm）处实现了约100 GW的峰值功率，且为变换极限X射线脉冲。
• 全链路模拟结果证实，FEL输出能量在100 GW时达到饱和，光谱带宽约为0.007%（即变换极限脉冲）。
• 在布喇格反射几何结构中，0.05 mm厚的晶体偏转器对16 keV X射线实现约99%的反射率，吸收损耗低于4%。
• 光束分配系统可通过压电驱动切换晶体反射率，实现将单色X射线束流路由至10个独立仪器。
• 晶体偏转器的角接受度与光束发散角匹配，可实现全脉冲偏转，且畸变与损耗极小。
• 系统支持在光束线间实现亚毫秒级切换，可实现10 Hz重复率下高效、高重复率的多用户运行。