[论文解读] Way to increase the user access at the LCLS baseline

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2010

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 8被引用 7

一句话总结

本文提出一种紧凑且可逆的装置，采用4米长的磁扭结（magnetic chicane）和可插入的X射线镜，通过在长基线波荡器的前半部分和后半部分空间分离自发辐射（SASE）X射线束，实现在LCLS基线波荡器上同时支持两位用户的运行。该方法可实现用户间的快速切换，并通过快速切换的晶体偏转器扩展至六位用户并行运行，实现基频和二次谐波频率下高功率、窄带宽的单色硬X射线束。

ABSTRACT

The LCLS beam is meant for a single user, but the baseline undulator is long enough to serve two users simultaneously. To this end, we propose a setup composed of two elements: an X-ray mirrors pair for X-ray beam deflection, and a 4 m-long magnetic chicane, which creates an offset for mirrors pair installation in the middle of the baseline undulator. The insertable mirrors pair can separate spatially the X-ray beams generated in the first and in the second half of the baseline undulator. Rapid switching of the FEL amplification process allows deactivating one half and activating another half of the undulator. As proposed elsewhere, using a kicker installed upstream of the LCLS baseline undulator and an already existing corrector in the first half of the undulator, it is possible to rapidly switch the X-ray beam from one user to another. We present simulation results for the LCLS baseline, and show that it is possible to generate two saturated SASE X-ray beams in the whole 0.8-8 keV photon energy range in the same baseline undulator. These can serve two users. Our technique does not perturb the baseline mode of operation of the LCLS undulator. Also, the magnetic chicane setup is very flexible, and can be used as a self-seeding setup too. We present simulation results for the LCLS baseline undulator with SHAB. One can produce monochromatic radiation at the 2nd harmonic as well as at the 1st. We describe an efficient way for obtaining multi-user operation at the LCLS hard X-ray FEL. To this end, a photon beam distribution system based on the use of crystals in the Bragg reflection geometry is proposed. The reflectivity of crystal deflectors can be switched fast enough by flipping the crystals with piezoelectric devices. Monochromatic hard X-rays can then be distributed among 6 independent experiments, thereby enabling 6 users to work in parallel in the near and far experimental halls.

研究动机与目标

• 在不损害基线运行、不增加高成本或高风险的前提下，提升LCLS基线波荡器的用户访问能力。
• 通过在长基线波荡器的不同半段中空间分离SASE X射线束，实现在两位用户之间同时运行。
• 通过使用快速可切换的晶体偏转器，将能力扩展至最多六位用户并行运行。
• 展示使用二次谐波后置放大器（Second Harmonic Afterburner, SHAB）进行自种子的可行性，以在基频和二次谐波频率下产生高质量单色辐射。
• 确保所提出的系统具备可逆性，不干扰标准LCLS运行，可安全快速恢复至基线模式。

提出的方法

• 在第13个波荡器段之后安装一个4米长的磁扭结，以创建空间偏移，用于插入一对X射线镜。
• 利用磁扭结实现FEL放大在波荡器前半部分和后半部分之间的快速切换，从而实现两位用户之间的束流切换。
• 在布喇格反射几何构型下使用可插入的X射线镜，对在波荡器两部分中生成的两束SASE X射线进行空间分离。
• 利用快速响应的压电晶体偏转器，将单色X射线引导至六个不同的实验站，切换速率高达100 Hz。
• 采用单晶单色器在SHAB构型下实施自种子方案，以在基频和二次谐波频率下产生窄带宽辐射。
• 使用完整的FEL模拟工具对系统性能进行仿真，分析0.8–8 keV能量范围内的功率、带宽和稳定性，以及16 keV下二次谐波运行时的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过最小的硬件改动，LCLS基线波荡器是否能在0.8–8 keV范围内，通过顺序激活波荡器的前半部分和后半部分，实现两束饱和SASE X射线束的同步生成？
• RQ2 通过控制波荡器不同段落中的FEL增益，是否可行实现对两位用户的快速、可逆切换？
• RQ3 自种子SHAB构型是否能以较少的波荡器单元数量，在基频和二次谐波下产生高强度、窄带宽的辐射？
• RQ4 在所提出的自种子SHAB设置下，二次谐波的最高功率和带宽能达到多少？
• RQ5 快速切换的晶体偏转器是否能实现高效、高重复率的束流分配，供近场和远场实验大厅中的六项独立实验使用？

主要发现

• 通过快速切换技术，依次激活基线波荡器的前半部分和后半部分，可在0.8–8 keV范围内同时产生两束饱和SASE X射线束。
• 所提出的装置可在不干扰基线LCLS运行的前提下实现双用户运行，因为磁扭结和X射线镜可被撤回以恢复标准运行模式。
• 采用SHAB的自种子方案产生的二次谐波输出带宽为0.007%，即使仅使用五个波荡器单元，功率水平也达到GW量级。
• 模拟结果显示，基频功率可达40 GW，表明在仅使用13个单元中的11个的情况下，仍能实现高效率的紧凑配置。
• 晶体偏转器可在100 Hz频率下实现亚微弧度精度的切换，可高效地将单色辐射分配至六项独立实验。
• 该系统完全可逆且安全，因为磁扭结可立即关闭以恢复基线运行，确保运行的连续性。