[论文解读] Wake monochromator in asymmetric and symmetric Bragg and Laue geometry for self-seeding the European X-ray FEL

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2013

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 4被引用 5

一句话总结

本文提出一种基于非对称与对称布喇格及劳厄反射的单晶金刚石 wake 单色仪，用于欧洲X射线自由电子激光器在3–13 keV能量范围内实现自种子，获得具有全相干性的太瓦级峰值功率。通过仅使用一个晶体并具备单一旋转自由度，该设计简化了生物成像光束线，同时通过包含空间-时间耦合效应的优化端到端模拟，保持了优异的光谱与时间性能。

ABSTRACT

We discuss the use of self-seeding schemes with wake monochromators to produce TW power, fully coherent pulses for applications at the dedicated bio-imaging bealine at the European X-ray FEL, a concept for an upgrade of the facility beyond the baseline previously proposed by the authors. We exploit the asymmetric and symmetric Bragg and Laue reflections (sigma polarization) in diamond crystal. Optimization of the bio-imaging beamline is performed with extensive start-to-end simulations, which also take into account effects such as the spatio-temporal coupling caused by the wake monochromator. The spatial shift is maximal in the range for small Bragg angles. A geometry with Bragg angles close to pi/2 would be a more advantageous option from this viewpoint, albeit with decrease of the spectral tunability. We show that it will be possible to cover the photon energy range from 3 keV to 13 keV by using four different planes of the same crystal with one rotational degree of freedom.

研究动机与目标

• 简化欧洲XFEL专用生物成像光束线的自种子装置，降低其成本。
• 通过仅使用一个金刚石晶体并保持最小机械复杂度，将光谱覆盖范围从3 keV扩展至13 keV。
• 在考虑空间-时间耦合效应的前提下，优化非对称与对称布喇格及劳厄几何构型下的性能。
• 通过自种子与波荡器啁啾技术，证明实现太瓦级峰值功率并保持完全相干性的可行性。

提出的方法

• 利用动态衍射理论，对金刚石晶体中的非对称与对称布喇格及劳厄反射进行建模，以实现X射线单色化。
• 采用端到端模拟，整合电子束动力学、FEL增益以及单色器引起的时空偏移效应。
• 应用wake单色仪概念，利用单晶金刚石（C(111)、C(113)、C(333)、C(004)）与σ-偏振态，对FEL辐射进行滤波与种子。
• 通过单一旋转自由度优化系统，以在3–13 keV范围内访问多个晶面。
• 实施后饱和波荡器啁啾，将种子脉冲放大至太瓦级输出功率。
• 通过建模FEL输入功率因子随晶体穿行引起的种子脉冲偏移的关系，分析耦合效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过一个具有单一旋转自由度的单晶金刚石，利用多种布喇格与劳厄反射覆盖3–13 keV能量范围？
• RQ2 wake单色仪如何引起空间-时间耦合？其对FEL种子效率有何影响？
• RQ3 非对称与对称反射的最优配置为何种形式，可最大化光谱可调谐性与输出功率？
• RQ4 波荡器啁啾在多大程度上可补偿单色器滤波后降低的种子功率？
• RQ5 所提出的装置是否可在目标能量范围内实现太瓦级输出功率并保持完全相干性？

主要发现

• 在单个金刚石晶体中，C(111)、C(113)、C(333)与C(004)反射可实现3 keV至13 keV的全光谱覆盖，仅需一个旋转自由度。
• wake单色仪引起的横向位移在小布喇格角时最大，表明接近π/2的布喇格角更有利于减小位移，尽管会以牺牲光谱可调谐性为代价。
• 在9 keV能量下采用C(333)非对称布喇格反射时，系统输出峰值功率提升约20倍，经波荡器啁啾后达到约1 TW。
• 模拟结果证实因果性保持在高数值精度水平，主脉冲前的功率水平名义上为零，验证了模拟的可靠性。
• 滤波后光谱宽度几乎保持不变，表明自种子过程中高单色性得以保持。
• 最终输出在100次单次脉冲模拟中表现出稳定的脉冲能量与低能量抖动，证实了系统的鲁棒性与相干性。