[论文解读] The potential for extending the spectral range accessible to the European XFEL down to 0.05 nm

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

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 3被引用 9

一句话总结

该论文提出了一种新颖方法，通过使用磁性和光学生时延迟的“新束团”技术，在同一波荡器中同时产生高强度、飞秒级X射线脉冲（波长分别为0.15 nm和0.05 nm），将欧洲XFEL的光谱范围扩展至0.05 nm。该方案利用单个电子束团实现两个波长的饱和辐射，且仅需最少的硬件改动，为现有XFEL设施提供了一种低成本、非破坏性的升级方案。

ABSTRACT

Specifications of the European XFEL cover a range of wavelengths down to 0.1 nm. The baseline design of the European XFEL assumes standard (SASE) FEL mode for production of radiation i.e. only one photon beam at one fixed wavelength from each baseline undulator with tunable gap. Recent developments in the field of FEL physics and technology form a reliable basis for an extensions of the mode of operation of XFEL facilities. This paper explores how the wavelength of the output radiation can be decreased well beyond the European XFEL design, down to 0.05 nm. In the proposed scheme, which is based on the use "fresh bunch" technique, simultaneous operation at two different wavelengths possible. It is shown that one can generate simultaneously, in the same baseline undulator with tunable gap, high intensity radiation at 0.05 nm at saturation, and high intensity radiation around 0.15 nm according to design specifications. We present a feasibility study and we make exemplifications with the parameters of SASE2 line of the European XFEL.

研究动机与目标

• 将欧洲XFEL的运行光谱范围从基线的0.1 nm扩展至0.05 nm。
• 利用单个电子束团，实现0.15 nm和0.05 nm两个不同波长的高强度、飞秒级相干X射线脉冲的同步产生。
• 开发一种技术上可行、成本低廉的方法，在保持基线运行完整性的前提下增加短波长模式。
• 支持需要高空间分辨率、低吸收和大散射体积的先进泵浦-探测实验。

提出的方法

• 采用三段式波荡器系统：第一段在线性区产生0.15 nm的SASE辐射。
• 利用磁性偏转器和基于镜面的光学生时延迟，将辐射脉冲延迟约半个束团长度，从而在波荡器后端形成“新束团”以实现种子激发。
• 将延迟后的0.15 nm（基频）辐射及其三次谐波（0.05 nm）用于种子激发第三段波荡器，该段被调谐至0.05 nm。
• 第三段波荡器（长67.1 m，共11个单元）设计用于在0.05 nm波长达到饱和，而0.15 nm的辐射则被衍射出，不产生干扰。
• 该方法依赖于“新束团”技术，在0.15 nm饱和后，利用电子束团后半部分实现0.05 nm波长的SASE放大。
• 通过模拟电子束能量展宽、能量损失及各阶段的束流功率分布，验证性能与饱和度。

实验结果

研究问题

• RQ1 欧洲XFEL的光谱范围能否在不损害0.15 nm基线运行的前提下扩展至0.05 nm？
• RQ2 能否利用单个电子束团实现0.15 nm和0.05 nm波长的同步、高强度、飞秒级X射线脉冲？
• RQ3 “新束团”技术是否可适配以在0.15 nm饱和后，于更长的波荡器段实现0.05 nm波长的SASE激光？
• RQ4 实现双波长运行所需的硬件改动有哪些？这些改动是否会对现有机器性能构成风险？

主要发现

• 该方法成功实现了0.15 nm和0.05 nm波长的10 GW级脉冲同步产生，且在各自波荡器段均达到饱和。
• 第三段波荡器（67.1 m长，11个单元）足以在0.05 nm波长实现饱和，输出功率达到10 GW量级。
• 第三阶段末端的束流功率分布（图16）证实了0.05 nm波长处存在强烈放大，而光谱图（图17）显示0.05 nm处存在主导峰值，且0.15 nm基频的污染极小。
• 能量展宽和能量偏差（图18）保持在可接受范围内，表明系统运行稳定，无明显束流退化。
• 该技术仅需短磁性偏转器和光学生时延迟装置，是一种低成本、非侵入式升级，且对基线运行无任何风险。
• 该方案不仅适用于欧洲XFEL，也适用于其他具有较短波荡器的XFEL设施，如LCLS和SASE1，特别是那些采用固定间隙波荡器的装置。