Progettazione di ottimizzazione della forma dello specchio offset in FEL

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9653 (2023) Citare questo articolo

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Al giorno d'oggi, grazie ai vantaggi dell'elevata potenza di picco, dell'elevata potenza media, dell'impulso ultra-corto e delle caratteristiche pienamente coerenti, il laser a elettroni liberi (FEL) ad alta velocità di ripetizione sta prosperando in molti paesi in tutto il mondo. Il carico termico causato dal FEL ad alta frequenza di ripetizione rappresenta una grande sfida per la forma della superficie dello specchio. Soprattutto nel caso di una potenza media elevata, come controllare perfettamente la forma dello specchio per mantenere la coerenza del fascio è diventato un problema difficile nella progettazione della linea di luce. Oltre al PZT multisegmento, quando vengono utilizzati più riscaldatori resistivi per compensare la forma dello specchio, il flusso di calore (o potenza) generato da ciascun riscaldatore deve essere ottimizzato per ottenere un errore di altezza inferiore al nanometro. Questo articolo stabilisce il modello MHCKF per la deformazione della superficie dello specchio sotto l'effetto combinato della deformazione iniziale dello specchio, della deformazione termica causata dai raggi X e della deformazione compensata da più riscaldatori. Cercando il termine di perturbazione nel modello matematico si può ottenere la soluzione ai minimi quadrati dei flussi di calore generati da tutti i riscaldatori. Questo metodo non solo può impostare più vincoli sui flussi di calore, ma anche ottenere rapidamente i loro valori riducendo al minimo l'errore della forma dello specchio. Supera il problema dei lunghi processi di ottimizzazione incontrati dai tradizionali software di analisi degli elementi finiti, soprattutto nel contesto dell'ottimizzazione multiparametrica. Questo articolo si concentra sullo specchio offset nella linea di luce FEL-1 su S3FEL. Utilizzando questo metodo, l'ottimizzazione di 25 flussi di calore generati da tutti i riscaldatori resistivi è stata ottenuta in pochi secondi utilizzando un normale laptop. I risultati indicano che l'errore di altezza RMS è diminuito da 40 nm a 0,009 nm e l'errore di pendenza RMS si è ridotto da 192,7 nrad a 0,4 nrad. Le simulazioni dell'ottica ondulatoria mostrano che la qualità del fronte d'onda è stata notevolmente migliorata. Inoltre, sono stati analizzati alcuni fattori che influenzano l’errore della forma dello specchio, come il numero di riscaldatori, una maggiore velocità di ripetizione, il coefficiente della pellicola e la lunghezza del tubo di rame. I risultati mostrano che il modello MHCKF e l'algoritmo di ottimizzazione possono risolvere efficacemente il problema di ottimizzazione della compensazione della forma dello specchio con più riscaldatori.

Negli ultimi anni, con il rapido sviluppo della tecnologia dei superconduttori, è possibile sviluppare strutture per l'utente di laser a elettroni liberi (FEL) a raggi X ad alta velocità di ripetizione. Esistono diversi impianti in fase di progettazione o costruzione in tutto il mondo, come il laser europeo a elettroni liberi a raggi X (XFEL)1, FLASH2, il Linac Coherent Light Source II (LCLS-II)3 e Shanghai High-repetition Hard X Laser a elettroni liberi a raggi X (SHINE)4. In Cina, oltre a SHINE, il laser superconduttore a elettroni liberi a raggi X morbidi di Shenzhen (S3FEL) è una nuova sorgente luminosa in fase di proposta presso l’Institute of Advanced Science Facilities (IASF) di Shenzhen. S3FEL è costituito da un acceleratore lineare superconduttore CW da 2,5 GeV e da quattro linee ondulatrici iniziali, con l'obiettivo di generare raggi X tra 40 eV e 1,24 keV a velocità fino a 1 MHz5. La prima fase di S3FEL comprende quattro linee di luce, tra le quali FEL-1 funzionerà in modalità SASE con una velocità di ripetizione fino a 100 kHz. Il layout ottico di FEL-1 è mostrato in Fig. 1.

Layout ottico della linea di luce FEL-1 su S3FEL.

La linea di luce FEL-1 mira a costruire tre stazioni finali sperimentali, tra cui la stazione di imaging di diffrazione coerente risolta nel tempo (tr-CDI), la stazione fotoelettronica a raggi X a pressione ambientale superficiale (AP-XPS) e la stazione di diffusione risonante di raggi X molli (compresi RIXS e REXS), rispettivamente. Come mostrato in Fig. 1, molti specchi vengono utilizzati per soddisfare i requisiti delle stazioni finali sperimentali. Il primo specchio nella linea di luce, lo specchio offset (M1), è fondamentale per mantenere la stabilità dei fotoni e della lunghezza d'onda. Secondo i Maréchal Criteria6, per una trasmissione coerente, l'errore di altezza RMS dello specchio offset dovrebbe essere inferiore a 0,9 nm e l'errore di pendenza RMS dovrebbe essere inferiore a 100 nrad, che sono più rigorosi di quelli degli specchi negli impianti di radiazione di sincrotrone. Pertanto, è necessario scegliere uno schema di controllo della forma appropriato.