[论文解读] Self-seeded operation of the LCLS hard X-ray FEL in the long-bunch mode

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

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 5被引用 6

一句话总结

本文展示了在LCLS硬X射线FEL长脉冲模式（0.25 nC电荷）下，利用单晶单色器在布喇格透射几何结构中实现单脉冲自种子方案的可行性，同时考虑了波荡器尾场效应。尽管尾场引起的微聚集导致电流脉冲明显，该方案仍实现了约12 GW的峰值功率、15 fs的脉冲宽度以及3×10⁻⁵的光谱带宽，与以往的双脉冲方法相当。

ABSTRACT

Self-seeding options for the LCLS baseline were recently investigated using a scheme which relies on a single-crystal monochromator in Bragg-transmission geometry. The LCLS low-charge (0.02 nC) mode of operation was considered in order to demonstrate the feasibility of the proposed scheme. The wakefield effects from the linac and from the undulator vacuum chamber are much reduced at such low charge, and can be ignored. In this paper we extend our previous investigations to the case of the LCLS mode of operation with nominal charge. Based on the LCLS start-to-end simulation for an electron beam charge of 0.25 nC, and accounting for the wakefields from the undulator vacuum chamber we demonstrate that the same simplest self-seeding system (two undulators with a single-crystal monochromator in between) is appropriate not only for short (few femtosecond) bunches, but for longer bunches too.

研究动机与目标

• 将自种子可行性从低电荷（0.02 nC）扩展至LCLS的额定电荷（0.25 nC）运行模式。
• 研究波荡器电阻性尾场对长脉冲模式下自种子性能的影响。
• 验证在存在强尾场引起的电流脉冲情况下，仅含一个单晶单色器的简单双波荡器系统仍具有效性。
• 证明在长脉冲运行中可实现带宽低于10⁻⁴且峰值功率高的单色输出。
• 与以往的双脉冲自种子方案进行性能比较，确认其光谱与时间特性相当。

提出的方法

• 在并行计算机上使用GENESIS 1.3 FEL代码进行从头到尾的模拟，共执行70次模拟以进行统计分析。
• 对LCLS基线波荡器系统进行建模，包含两个波荡器段，其间由一个弱偏转器（R₅₆ ≈ 200 μm）分隔，以产生电子-光子延迟和横向偏移。
• 在波荡器真空室中引入电阻壁尾场效应，通过BANE模拟考虑频率相关的导管电导率。
• 采用0.1 mm厚的金刚石（400）晶体，在布喇格透射几何结构中对SASE辐射进行光谱滤波，生成窄带种子光。
• 在基线之后使用一个厚的Si(220)晶体，在布喇格反射几何结构中抑制SASE背景并进一步压缩光谱。
• 追踪电子束在第一段波荡器中的能量调制与微聚集演化，其中电流脉冲驱动激光振荡与种子生成。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可将低电荷模式下使用的相同自种子方案扩展至LCLS的额定0.25 nC长脉冲模式？
• RQ2 波荡器尾场如何影响长脉冲运行中单脉冲自种子方案的性能？
• RQ3 由尾场引起的强电流脉冲是否降低或增强种子效率与光谱纯度？
• RQ4 输出特性（带宽、峰值功率、脉冲宽度）是否可与双脉冲自种子方案相当？
• RQ5 是否需要并通过厚晶体单色器实现额外滤波，以获得所需的光谱特性？

主要发现

• 尽管波荡器真空室中存在显著的电阻尾场，该自种子方案在长脉冲模式（0.25 nC）下仍具可行性。
• 在脉冲边缘由尾场引起的电流脉冲导致第一段波荡器中强激光振荡与饱和，产生稳健的种子信号。
• 系统实现了3×10⁻⁵的光谱带宽，与设计目标及以往双脉冲方案相当。
• 输出脉冲的峰值功率约为12 GW，全宽半最大值（FWHM）脉冲宽度为15 fs。
• 通过Si(220)晶体进行基线后滤波，有效抑制了背景，最终光谱的相对带宽为5×10⁻⁵。
• 单脉冲自种子方案在光谱与时间特性方面与双脉冲方案性能相当，验证了其有效性。