[论文解读] Proposal to generate 10 TW level femtosecond x-ray pulses from a baseline undulator in conventional SASE regime at the European XFEL

Svitozar Serkez, Vitali Kocharyan+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2013

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用 3

一句话总结

本文提出通过在不进行硬件改造的前提下，利用基线SASE3波荡器中的超高峰值电流（45 kA），在欧洲XFEL上生成10 TW级、3 fs长的X射线脉冲。通过压缩0.25 nC电子束并应用波荡器啁啾调制，作者实现了峰值功率100倍的提升，在SASE模式下达到最高5 TW，辐射带宽为1%，适用于3–5 keV光子能量下的单个生物分子成像。

ABSTRACT

Output characteristics of the European XFEL have been previously studied assuming an operation point at 5 kA peak current. In this paper we explore the possibility to go well beyond such nominal peak current level. In order to illustrate the potential of the European XFEL accelerator complex we consider a bunch with 0.25 nC charge, compressed up to a peak current of 45 kA. An advantage of operating at such high peak current is the increase of the x-ray output peak power without any modification to the baseline design. Based on start-to-end simulations, we demonstrate that such high peak current, combined with undulator tapering, allows one to achieve up to a 100-fold increase in a peak power in the conventional SASE regime, compared to the nominal mode of operation. In particular, we find that 10 TW-power level, femtosecond x-ray pulses can be generated in the photon energy range between 3 keV and 5 keV, which is optimal for single biomolecule imaging. Our simulations are based on the exploitation of all the 21 cells foreseen for the SASE3 undulator beamline, and indicate that one can achieve diffraction to the desired resolution with 15 mJ (corresponding to about 3e13 photons) in pulses of about 3 fs, in the case of a 100 nm focus at the photon energy of 3.5 keV.

研究动机与目标

• 探索欧洲XFEL加速器装置在不进行硬件改造的前提下，超越额定运行参数（特别是高峰值电流）的潜力。
• 解决利用“破坏前衍射”方法实现单个生物分子成像所需的足够X射线峰值功率（10 TW）的挑战。
• 确定高峰值电流运行与波荡器啁啾调制相结合，是否能显著增强常规SASE模式下的SASE输出功率。
• 评估生成具有足够光子通量和合适带宽的飞秒X射线脉冲以用于结构生物学应用的可行性。
• 评估所得1%辐射带宽是否适用于对光谱纯度要求不高的应用，如生物分子成像。

提出的方法

• 采用从直线加速器到SASE3波荡器的全链条模拟，建模电子束动力学，包括空间电荷效应、射频尾场效应和相干同步辐射效应。
• 针对0.25 nC电子束进行参数优化，压缩至45 kA高峰值电流，实现约4 μm的归一化切片发射度。
• 通过在21个波荡器单元中的12个上进行离散间隙调节，实现波荡器啁啾调制，以在电子束能量因FEL相互作用而降低时保持共振。
• 采用两段式波荡器结构：前9个单元保持均匀磁场以实现SASE饱和（达到约0.5 TW），后12个单元采用啁啾调制将输出功率提升至约5 TW。
• 通过对100次单次脉冲模拟结果进行统计平均，评估稳定性并表征输出功率、光谱和能量波动。
• 评估辐射脉冲能量分布和发散角，以评估聚焦性能和实验可用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 欧洲XFEL是否能在不增加额外硬件的前提下，仅通过基线设计在常规SASE模式下产生10 TW级X射线脉冲？
• RQ2 当与超高峰值电流电子束结合时，波荡器啁啾调制在多大程度上能增强SASE输出功率？
• RQ3 由于高峰值电流导致的大能量啁啾对辐射带宽有何影响，其是否仍适用于生物分子成像？
• RQ4 在45 kA高峰值电流下，切片发射度和能量 spread 增加的情况下，SASE饱和长度是否仍保持在实际可接受范围内？
• RQ5 所得1%辐射带宽是否足以在无需单色化处理的情况下实现高对比度单个生物分子衍射成像？

主要发现

• 通过将电子束高峰值电流提升至45 kA，可在常规SASE模式下实现峰值功率100倍的提升，输出功率最高可达5 TW。
• 由于高峰值电流的存在，SASE3波荡器在前9个波荡器单元中即可实现SASE饱和（约0.5 TW），即使切片发射度约为4 μm。
• 在最后12个波荡器单元中实施波荡器啁啾调制，可将输出功率从0.5 TW提升至约5 TW，证明了无需硬件升级即可实现显著增强。
• 由于电子束中存在大能量啁啾，辐射带宽约为1%，该带宽在对光谱纯度要求不高的应用（如单个生物分子成像）中可接受。
• 系统可在3.5 keV光子能量下产生15 mJ的脉冲能量（相当于约3×10¹³个光子），脉宽为3 fs，适合通过100 nm聚焦实现原子级分辨率。
• 所提出方法在9个波荡器单元内维持SASE饱和，确认了在切片发射度和纵向速度展宽增加的情况下，高峰值电流运行的可行性。