FELにおけるオフセットミラーの形状最適化設計

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9653 (2023) この記事を引用

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現在、高ピークパワー、高平均パワー、超短パルス、および完全コヒーレント特性という利点により、高繰り返し率の自由電子レーザー (FEL) が世界中の多くの国で普及しています。 高繰り返し率の FEL によって引き起こされる熱負荷は、ミラー表面の形状に大きな課題をもたらします。 特に平均パワーが高い場合、ビームのコヒーレンスを維持するためにミラーの形状をいかに完璧に制御するかがビームライン設計の難しい問題となっている。 マルチセグメント PZT に加えて、ミラー形状を補正するために複数の抵抗ヒーターが使用される場合、サブナノメートルの高さ誤差を得るために各ヒーターによって生成される熱流束 (または電力) を最適化する必要があります。 この論文は、ミラーの初期変形、X線による熱変形、および複数のヒーターによって補償される変形の複合効果の下でのミラー表面変形のMHCKFモデルを確立します。 数学モデル内の摂動項を検索することにより、すべてのヒーターによって生成される熱流束の最小二乗解を取得できます。 この方法では、熱流束に複数の制約を設定できるだけでなく、ミラー形状誤差を最小限に抑える際の値を迅速に取得できます。 これは、特にマルチパラメータ最適化のコンテキストにおいて、従来の有限要素解析ソフトウェアが直面する時間のかかる最適化プロセスの問題を克服します。 この記事では、S3FEL の FEL-1 ビームラインのオフセット ミラーに焦点を当てます。 この方法を使用すると、すべての抵抗ヒーターによって生成される 25 の熱流束の最適化が、通常のラップトップを使用して数秒以内に達成されました。 結果は、高さ誤差 RMS が 40 nm から 0.009 nm に減少し、傾き誤差 RMS が 192.7 nrad から 0.4 nrad に減少したことを示しています。 波動光学シミュレーションにより、波面の品質が大幅に改善されたことが示されています。 さらに,ヒーターの数,高い繰り返し率,膜係数,銅管の長さなど,ミラー形状誤差に影響を与えるいくつかの要因を分析した。 結果は、MHCKF モデルと最適化アルゴリズムが、複数のヒーターでミラー形状を補償する最適化問題を効果的に解決できることを示しています。

近年、超電導技術の急速な発展により、高繰り返し周波数のX線自由電子レーザー（FEL）ユーザー施設の開発が可能となっています。 ヨーロッパの X 線自由電子レーザー (XFEL)1、FLASH2、リニアック コヒーレント光源 II (LCLS-II)3、上海高繰り返しハード X など、世界中で設計または建設中の施設がいくつかあります。 -線自由電子レーザー（SHINE）4． 中国では、SHINE に加えて、深セン超電導軟 X 線自由電子レーザー (S3FEL) が、深センの先進科学施設研究所 (IASF) で提案段階にある新しい光源です。 S3FEL は、2.5 GeV CW 超伝導線形加速器と 4 本の初期アンジュレータ ラインで構成され、最大 1 MHz のレートで 40 eV ～ 1.24 keV の X 線を生成することを目指しています5。 S3FEL の第 1 フェーズには 4 本のビームラインが含まれており、そのうちの FEL-1 は最大 100 kHz の繰り返し率で SASE モードで動作します。 FEL-1の光学配置を図1に示します。

S3FELにおけるFEL-1ビームラインの光学レイアウト。

FEL-1 ビームラインは、時間分解コヒーレント回折イメージング ステーション (tr-CDI)、表面常圧 X 線光電子ステーション (AP-XPS)、および共鳴軟 X 線散乱ステーションを含む 3 つの実験エンドステーションを建設することを目的としています。 (RIXS と REXS を含む)。 図 1 に示すように、実験用エンドステーションの要件を満たすために多くのミラーが使用されます。 ビームラインの最初のミラーであるオフセットミラー (M1) は、光子と波長の安定性を維持する上で重要です。 マレシャル基準6によれば、コヒーレント伝送の場合、オフセットミラーの高さ誤差RMSは0.9nm未満、傾き誤差RMSは100nrad未満とされており、放射光施設のミラーよりも厳しい基準となっている。 したがって、適切な形状制御方式を選択する必要があります。