[论文解读] Scheme for femtosecond-resolution pump-probe experiments at XFELs with two-color ten GW-level X-ray pulses

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2010

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 2被引用 10

一句话总结

本文提出了一种在XFEL中利用单个电子束通过改进的波荡器装置，生成双色、十GW级X射线脉冲的飞秒时间分辨率泵浦-探测方案。通过将一个波荡器段替换为磁扭结（magnetic chicane），使一半电子束延迟约其长度的一半，该方法实现了在不同波长下同时产生两个同步、高重复频率、高脉冲峰值功率的X射线脉冲，时间分辨率低于10 fs，且零抖动。

ABSTRACT

This paper describes a scheme for pump-probe experiments that can be performed at LCLS and at the European XFEL and determines what additional hardware development will be required to bring these experiments to fruition. It is proposed to derive both pump and probe pulses from the same electron bunch, but from different parts of the tunable-gap baseline undulator. This eliminates the need for synchronization and cancels jitter problems. The method has the further advantage to make a wide frequency range accessible at high peak-power and high repetition-rate. An important feature of the proposed scheme is that the hardware requirement is minimal. Our technique is based in essence on the "fresh" bunch technique. For its implementation it is sufficient to substitute a single undulator module with short magnetic delay line, i.e. a weak magnetic chicane, which delays the electron bunch with respect to the SASE pulse of half of the bunch length in the linear stage of amplification. This installation does not perturb the baseline mode of operation. We present a feasibility study and we make exemplifications with the parameters of the SASE2 line of the European XFEL.

研究动机与目标

• 利用双色X射线脉冲在XFEL中实现亚10 fs时间分辨率的泵浦-探测实验。
• 解决X射线泵浦-探测实验中泵浦脉冲与探测脉冲之间精确同步的挑战。
• 通过利用现有的束流动力学和波荡器基础设施，最小化硬件改造。
• 实现高脉冲峰值功率（十GW级）和高重复频率，以支持超快动力学的时间分辨研究。
• 确保与基准XFEL运行模式兼容，且不损害机器性能。

提出的方法

• 利用可调周期间距波荡器中的两级FEL过程，从单个电子束中生成泵浦和探测脉冲。
• 将一个波荡器段替换为短磁扭结（弱扭结），使一半电子束延迟约其长度的一半。
• 电子束的前半部分被种子并在线性增益区放大至饱和，产生短时、高功率的SASE脉冲。
• 电子束的后半部分保持未调制状态，并在第三段波荡器中以不同波长受激辐射，产生探测脉冲。
• 采用新束团技术（fresh-bunch technique）以保持第二阶段受激辐射过程中的高增益和相干性。
• 通过在磁扭结内部安装X射线镜，实现两色脉冲在空间和角度上的分离，从而在实验站实现分离。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个电子束能否在不同波长下生成两个时间上分离、高脉冲峰值功率的X射线脉冲，且时间分辨率达飞秒级？
• RQ2 如何在基于XFEL的泵浦-探测实验中消除泵浦脉冲与探测脉冲之间的时间抖动？
• RQ3 在XFEL设施中实现双色飞秒X射线源所需的最小硬件改造是什么？
• RQ4 该方案是否兼容XFEL的短脉冲和长脉冲运行模式？
• RQ5 能否高效地分离并输运双色X射线脉冲至实验站，且光子损失极小？

主要发现

• 该方法实现了亚10 fs时间分辨率，从单个电子束中产生双色、十GW级X射线脉冲。
• 使用单个磁扭结延迟一半电子束，消除了泵浦与探测脉冲之间的时间抖动。
• 该方案在短脉冲运行模式下可行，已基于欧洲XFEL的SASE2参数（17.5 GeV，0.025 nC，1.0 μm束团长度）验证。
• 该技术保持了与基准运行模式的兼容性，且对机器性能无风险。
• 通过在扭结中安装X射线镜实现两脉冲的空间分离，可在实验站实现几毫米的分离距离，且光子损失极小。
• 通过增加扭结角度至2.5 mrad或使用光程延迟线，该方法也可适用于长脉冲模式（60 fs），且因工作在线性区而保持低热负荷。