[论文解读] Proposal for a scheme to generate 10 TW-level femtosecond x-ray pulses for imaging single protein molecules at the European XFEL

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

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 12被引用 3

一句话总结

本论文提出了一项成本效益高的欧洲X射线自由电子激光器（European XFEL）升级方案，结合自种子（self-seeding）、波荡器啁啾（undulator tapering）和发射度扰动箔（emittance spoiler foil），可在3.5–4 keV能量下产生10 fs、50 mJ的X射线脉冲，峰值功率高达10 TW，实现近原子分辨率的单个蛋白质分子成像（'破坏前衍射'）。该方案通过使用1 nC电子束的全链条模拟验证，使峰值功率相比基线SASE光源提升100倍。

ABSTRACT

Single biomolecular imaging using XFEL radiation is an emerging method for protein structure determination using the "diffraction before destruction" method at near atomic resolution. Crucial parameters for such bio-imaging experiments are photon energy range, peak power, pulse duration, and transverse coherence. The largest diffraction signals are achieved at the longest wavelength that supports a given resolution, which should be better than 0.3 nm. We propose a configuration which combines self-seeding and undulator tapering techniques with the emittance-spoiler method in order to increase the XFEL output peak power and to shorten the pulse duration up to a level sufficient for performing bio-imaging of single protein molecules at the optimal photon energy range, i.e. around 4 keV. Experiments at the LCLS confirmed the feasibility of these three new techniques. Based on start-to-end simulations we demonstrate that self-seeding, combined with undulator tapering, allows one to achieve up to a 100-fold increase in peak-power. A slotted foil in the last bunch compressor is added for x-ray pulse duration control. Simulations indicate that one can achieve diffraction to the desired resolution with 50 mJ (corresponding to 1e14 photons) per 10 fs pulse at 3.5 keV photon energy in a 100 nm focus. This result is exemplified using the photosystem I membrane protein as a case study.

研究动机与目标

• 通过具备足够峰值功率和超短脉冲宽度的X射线脉冲，实现在欧洲XFEL上高分辨率的单个生物分子成像。
• 解决基线SASE波荡器的局限性，其饱和功率约为50 GW，远低于实现单个蛋白质分子最优成像所需的10 TW。
• 开发一种成本效益高的升级路径，采用已验证技术——自种子、波荡器啁啾和发射度扰动箔，无需重大基础设施改造。
• 实现峰值功率提升100倍，并将脉冲宽度控制在10 fs，从而在3.5 keV下实现每10 fs脉冲包含10^14个光子。
• 通过真实模拟模型，证明对10 nm大小的蛋白质（如光系统I）实现0.3 nm分辨率成像的可行性。

提出的方法

• 通过单弯轨自种子装置中的晶体单色器实现自种子，以压缩带宽并提高光谱亮度。
• 采用波荡器啁啾技术，通过相干增强波荡器中辐射发射，提高FEL增益并提升输出峰值功率。
• 在最后一个束团压缩器（BC3）中心位置放置发射度扰动箔，选择性地增加电子束大部分区域的横向发射度，同时保持中心时间切片的窄发射度和低发射度。
• 开槽箔在束流主体中诱导库仑散射，抑制该区域的FEL增益，而未受扰动的中心切片则产生短时、高增益的X射线脉冲。
• 弯轨中的色散将能量啁啾转换为横向束团倾斜，从而精确地将未受扰动的切片定位在箔片中心。
• 采用1 nC电子束模型进行全链条模拟，从电子枪到最终X射线脉冲，综合考虑束流动力学、FEL增益和辐射传播。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过现有技术将基于SASE的XFEL光源的峰值功率提升100倍，达到10 TW量级？
• RQ2 能否在欧洲XFEL上通过最小硬件升级（特别是发射度扰动箔）实现10 fs量级的飞秒X射线脉冲？
• RQ3 在3.5 keV下，能否实现每10 fs脉冲包含10^14个光子、聚焦光斑为100 nm，以满足0.3 nm分辨率下单个蛋白质分子成像的需求？
• RQ4 自种子与波荡器啁啾能否协同提升光谱亮度和峰值功率，同时不损害横向相干性？
• RQ5 为实现光系统I等单个生物分子的三维重构，所需的光子通量和脉冲宽度应为多少，才能保证足够的信噪比？

主要发现

• 自种子、波荡器啁啾和发射度扰动箔的组合使峰值功率提升100倍，实现10 fs X射线脉冲的峰值功率高达10 TW。
• 在3.5 keV下，50 mJ、10 fs的X射线脉冲包含10^14个光子，满足0.3 nm分辨率成像所需的~10^22 photons/mm²通量要求。
• 模拟结果证实，3.5 keV下10 fs、10^14个光子的脉冲可产生足够强的衍射信号，实现对10 nm大小蛋白质（如光系统I）的三维结构解析。
• 发射度扰动箔降低了FEL相互作用区域的有效电子束长，使脉冲压缩至~10 fs，无需在波荡器线上增加额外硬件。
• 径向平均散射强度分布显示，探测器像素值在探测器边缘处仍远高于每像素一个光子，表明单次曝光三维重构具有强信噪比。
• 该方案与现有欧洲XFEL基础设施兼容，仅需少量改造——即单弯轨自种子装置和BC3中的开槽箔——因此是一种成本效益高的升级路径。