[论文解读] Scheme for generation of fully-coherent, TW power level hard X-ray pulses from baseline undulators at the European X-ray FEL

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2010

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 3被引用 25

一句话总结

本文提出在欧洲X射线自由电子激光器（European XFEL）的基线SASE2波荡器中，采用级联自种子方案、尾波单色器和波荡器啁啾技术，生成完全相干、峰值功率达太瓦（TW）级、波长为0.15 nm的硬X射线脉冲。该方法使峰值亮度比LCLS提高三个数量级，从而在单个生物分子成像和非弹性散射等前沿应用中实现前所未有的性能。

ABSTRACT

The most promising way to increase the output power of an X-ray FEL (XFEL) is by tapering the magnetic field of the undulator. Also, significant increase in power is achievable by starting the FEL process from a monochromatic seed rather than from noise. This report proposes to make use of a cascade self-seeding scheme with wake monochromators in a tunable-gap baseline undulator at the European XFEL to create a source capable of delivering coherent radiation of unprecedented characteristics at hard X-ray wavelengths. Compared with SASE X-ray FEL parameters, the radiation from the new source has three truly unique aspects: complete longitudinal and transverse coherence, and a peak brightness three orders of magnitude higher than what is presently available at LCLS. Additionally, the new source will generate hard X-ray beam at extraordinary peak (TW) and average (kW) power level. The proposed source can thus revolutionize fields like single biomolecule imaging, inelastic scattering and nuclear resonant scattering. The self-seeding scheme with the wake monochromator is extremely compact, and takes almost no cost and time to be implemented. The upgrade proposed in this paper could take place during the commissioning stage of the European XFEL, opening a vast new range of applications from the very beginning of operations. We present feasibility study and examplifications for the SASE2 line of the European XFEL.

研究动机与目标

• 解决X射线自由电子激光器在单个生物分子成像等先进应用中对更高光子通量和完全纵向相干性的需求。
• 克服SASE自由电子激光器产生的辐射不相干、光谱纯度和峰值亮度受限的局限性。
• 在硬X射线波长（0.15 nm）下实现高亮度、完全相干的X射线脉冲，峰值功率达太瓦（TW）级，平均功率达千瓦（kW）级，达到前所未有的水平。
• 通过使用高反射率和宽角度接受范围的晶体偏转器，实现高效、快速的光束分配，支持多用户运行。
• 在调试阶段对欧洲XFEL进行升级，确保在运行首日即可提供高亮度、相干辐射。

提出的方法

• 在第一个波荡器段输出处，利用尾波单色器对SASE辐射进行单色化，实施级联自种子方案。
• 在欧洲XFEL的SASE2线路中采用可调间隙的42单元基线波荡器，以实现沿波荡器长度方向的高效磁场啁啾。
• 通过波荡器啁啾，随着电子能量降低而保持共振，从而增强辐射场的累积，提高输出功率，实现ponderomotive trapping效应。
• 将自种子与波荡器啁啾相结合，使辐射带宽接近傅里叶变换极限，从而实现完全的纵向相干性。
• 设计基于晶体的多用户光束分配系统，采用布喇格反射几何结构，实现对完整辐射脉冲的偏转与导引，反射率约99%，角度接受范围宽。
• 通过采用紧凑、低成本的尾波单色器，仅需极少改造，确保与现有基线设计的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在欧洲XFEL中，结合尾波单色器和波荡器啁啾的自种子方案能否生成完全相干、太瓦级的硬X射线脉冲？
• RQ2 在可调间隙波荡器中，将自种子与波荡器啁啾结合时，可实现的峰值亮度和光谱纯度如何？
• RQ3 如何高效运行具备高亮度、完全相干X射线脉冲的多用户XFEL设施？
• RQ4 与标准SASE自由电子激光器相比，该自种子方案在纵向相干性和光谱带宽方面提升了多少？
• RQ5 该升级是否可在调试阶段实施，而不会干扰基线运行？

主要发现

• 所提出的方案生成完全相干、脉宽5 fs-FWHM的X射线脉冲，波长为0.15 nm，每脉冲光子数达2×10¹²，实现前所未有的峰值亮度。
• 峰值亮度可达10³⁷ ph/s/mm²/mrad²/0.1% BW，相比当前LCLS能力提高三个数量级。
• 平均亮度可达10²⁸ ph/s/mm²/mrad²/0.1% BW（在0.25 nC束团电荷下），支持高通量多用户运行。
• 采用尾波单色器的自种子方案使辐射带宽接近傅里叶变换极限，确保完全的纵向相干性。
• 波荡器出口处电子能谱展宽约为2%，表明在啁啾过程中电子有效被捕获并减速于ponderomotive势阱中。
• 采用布喇格晶体偏转器的光束分配系统可处理完整脉冲，反射率约99%，角度接受范围宽，支持多实验间快速切换。