[论文解读] Production of transform-limited X-ray pulses through self-seeding at the European X-ray FEL

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2011

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 3被引用 8

一句话总结

本论文提出在欧洲X射线自由电子激光器（European X-ray FEL）采用单晶自种子方案，利用硅钻石晶体单色器在布喇格几何结构下，对第一根波荡器产生的SASE辐射进行单色化，从而在第二根波荡器中实现自种子放大，生成接近傅里叶极限带宽的变换极限X射线脉冲。在考虑真实电子束参数和空间电荷效应的全流程模拟中，结合自种子与波荡器啁啾技术，可实现高达400 GW的输出峰值功率，获得中心波长为0.15 nm、脉宽全宽半最大值（FWHM）为7 fs、每脉冲光子数达2×10¹²的0.4 TW级脉冲。

ABSTRACT

An important goal for any advanced X-ray FEL is an option for providing Fourier-limited X-ray pulses. In this way, no monochromator is needed in the experimental hall. Self-seeding is a promising approach to significantly narrow the SASE bandwidth to produce nearly transform-limited pulses. These are important for many experiments including 3D diffraction imaging. We discuss the implementation of a single-crystal self-seeding scheme in the hard X-ray lines of the European XFEL. For this facility, transform-limited pulses are particularly valuable since they naturally support the extraction of more FEL power than at saturation by exploiting tapering in the tunable-gap baseline undulators. Tapering consists of a stepwise change of the undulator gap from segment to segment. Based on start-to-end simulations dealing with the up-to-date parameters of the European XFEL, we show that the FEL power reaches about 400 GW, or one order of magnitude higher power than the SASE saturation level (20 GW). This analysis indicates that our self-seeding scheme is not significantly affected by non-ideal electron phase-space distribution, and yields about the same performance as in the case for an electron beam with ideal parameters. The self-seeding scheme with a single crystal monochromator is extremely compact (about 5 m long), and cost estimations are low enough to consider adding it to the European XFEL capabilities from the very beginning of the operation phase.

研究动机与目标

• 在欧洲XFEL中实现变换极限X射线脉冲的产生，以消除实验厅中对单色器的需求。
• 解决传统SASE FEL中纵向相干性受限的问题，该问题限制了如三维衍射成像等应用。
• 证明单晶单色器自种子方案对非理想电子束相空间分布具有鲁棒性。
• 通过在基线可调间隙波荡器中结合自种子与波荡器啁啾，实现TW量级的峰值功率输出。
• 通过包含真实电子束参数和空间电荷效应的全流程模拟，验证自种子方案的可行性。

提出的方法

• 采用C(400)硅钻石晶体在布喇格几何结构下实现单晶自种子方案，对第一根波荡器产生的SASE辐射进行单色化。
• 通过四极磁铁组成的4-弯道 chicane 旁路，将单色化种子脉冲重新与电子束团耦合，同时破坏微聚束以防止干扰。
• 种子脉冲在第二根波荡器中被相干驱动，利用渐变磁场分布放大至饱和。
• 采用真实电子束参数（包括切片发射度<0.25 μm、能量展宽及波荡器空间电荷场）进行全流程模拟。
• 在输出波荡器的最后六个周期应用啁啾，采用经验优化的规律以最大化能量转移并保持光谱纯度。
• 通过评估时间-带宽积验证脉冲的变换极限特性，Δt·Δω ≈ 8.0，表明脉冲接近傅里叶极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实电子束条件下，单晶自种子方案是否能在欧洲XFEL中产生变换极限X射线脉冲？
• RQ2 当模拟中引入非理想电子束相空间分布和空间电荷效应时，自种子性能如何退化？
• RQ3 波荡器啁啾在多大程度上可使自种子X射线脉冲的峰值功率超过SASE饱和水平？
• RQ4 当电子束参数（如能量和波荡器长度）低于理想模型时，自种子方案是否仍能保持高性能？
• RQ5 自种子与啁啾结合是否可在对基线设施配置改动最小的前提下，实现TW量级X射线脉冲？

主要发现

• 即使在真实相空间分布条件下，自种子方案的性能仍与理想电子束相当，表明其对非理想束流条件具有鲁棒性。
• 最终输出峰值功率达到400 GW（即0.4 TW），约为SASE饱和功率20 GW的十倍。
• 在0.15 nm波长下，实现了全宽半最大值（FWHM）为7 fs、每脉冲光子数为2×10¹²的变换极限X射线脉冲。
• 时间-带宽积Δt·Δω ≈ 8.0，证实脉冲接近变换极限，这对高精度实验至关重要。
• 切片发射度降低带来的性能提升可补偿电子束能量降低和波荡器长度缩短的负面影响，维持高效率。
• 紧凑的自种子装置（约5 m长）和低成本使其在欧洲XFEL投入运行之初即可实现集成。