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PAL-XFEL의 입사기 레이저 시스템은 초기 고품질의 광전자 빔을 생성하기 위해 주로 피코초 UV 레이저 펄스를 제공한다. 이는 빔의 시공간적 특성이 레이저의 형태에 의해 쉽게 조절될 수 있기 때문이다. 또한, 레이저히터와 광음극 표면 처리를 위해 IR 레이저 펄스도 운영하고 있다.

기본적인 레이저 광원으로써 상용 피코초 티타늄:사파이어 시스템을 설치하였고 이는 두 개로 나뉘어 광음극과 레이저 히터로 각각 보내진다. 레이저 펄스의 특성들은 외부 압축기와 공간 필터, 그리고 푸리에 이미징을 이용하여 최적화된다.

레이저 펄스와 가속기 부품들의 동기화를 위해, 위상 측정기 기반의 정밀한 Sagnac 간섭계를 이용하여 티타늄:사파이어 진동자(79.33 MHz)를 펨토초 수준으로 S-band RF 레퍼런스 진동자에 동기화시켰다. 펄스 picker는 이벤트 타임으로부터 120 Hz 트리거 신호를 통해 진동자 레이저 펄스를 선택한다.

레이저 펄스 에너지와 전하량을 일정하게 유지하기 위해 고속 voice coil motor를 이용하는데 파장판을 회전시킴으로써 일정하게 유지된다. 레이저 포인팅은 사극 감지기와 Piezo-actuated 거울, 그리고 relay 이미징을 통해 안정화된다.

측정 도구들로는 UV 레이저의 에너지와 공간분포가 실시간으로 가상 광음극 위치에서 감시된다. 펄스 모양은 UV 레이저와 펨토초 진동자 펄스의 교차상관관계로부터 예측된다.

전자총은 정확한 운동에너지를 가지는 조절된 전자빔을 만들기 위한 장치이다. 음극에서 발사된 전자들은 전자총 내부에서 전기장에 의해 가속된다. 여기에는 전자 방출 방법에 기반한 두 종류의 전자총이 존재한다 (음극을 가열함으로써 전자를 방출시키는 열이온 총 그리고 레이저의 광전자 효과로 전자를 방출하는 광음극 총). 또한 전자빔 가속방법에 기반한 두 종류의 전자총이 존재할 수 있다 (정전기장과 RF로 가속하는 총). 이 중에서 광음극 RF 전자총은 보편적으로 XFEL 장치에 사용되는데, 이는 자유전자레이저를 향상하기 위해 낮은 에미턴스를 가진 고품질의 전자빔이 초기에 입사되어야 하기 때문이다.

PAL-XFEL은 2005년부터 새로운 디자인의 S-band 광음극 RF 전자총을 개발했다. BNL 타입 기반의 전자총이 2005년에 개발되었으며, 이는 세계 최초의 고광도 광음극 RF 전자총이다. 그러나, XFEL 장치를 위한 사양 달성에 많은 난관이 있었다. 우리는 배경 전류와 방전을 최소화하기 위해 전자총 디자인을 변경했다. 또한 진공 밀봉, 주파수 튜닝, 냉각, 레이저 입사 방식을 개선하였다. RF 포트 비대칭성으로 인해 발생한 쌍극&사극 자기장이 에미턴스를 저하하는 것도 문제였다. 이러한 자기장을 줄이기 위해 많은 노력을 기울였고, 대칭 구조를 위한 몇 가지 디자인들이 제시되었다 (반대쪽의 진공 포트를 가진 단일 RF 포트, 동축관에 의한 RF 피딩, 4면의 세 진공 포트가 달린 단일 RF 포트, 그리고 두 진공 포트가 달린 레이스 트랙 모양의 쌍 RF 포트 등). 여기서 마지막 디자인이 PAL-XFEL에 적용되었으며, 마침내 6 MeV, 250 pC, 3 ps, 60 Hz의 전자빔을 생성하는 전자총 개발에 성공하였다. 또한, 이 총을 이용하여 0.5 μm이하의 횡방향 에미턴스를 가지는 전자빔을 달성하였다.

입자 가속기란 전자기장을 사용하여 기본 입자들을 가속하는 장치를 말한다. 여기에는 크게 두 종류의 가속기가 존재한다 (정전기장을 사용해서 입자를 가속하는 정전기 가속기, 그리고 변화하는 전자기장을 사용하는 전자기 가속기). 라디오 주파수(RF)로 진동하는 전자기장을 이용한 가속기가 보편적으로 고에너지 장치에 많이 사용된다. 선형슬롯 무료체험(LINAC)는 입자가속기의 한 종류로서, 하전 입자를 선형 빔라인에서 가속한다. 이는 종종 원형가속기의 입자를 초기에 강하게 가속시키거나, 자유전자레이저 장치에 필요한 고에너지 입자를 만드는 데 사용된다.

PAL-XFEL은 RF LINAC을 전자빔 가속에 사용한다. 슬롯 무료체험 내의 전자기장은 클라이스트론의 펄스화된 RF 전원에 의해 유도된다. 만약 전자빔이 제대로 된 위상 조건으로 슬롯 무료체험를 지나간다면, RF 에너지가 전자빔의 운동에너지로 전환된다. 가속관 column은 상전도 SLAC 타입의 고정 기울기 진행파 구조이고 무산소 고전도 구리로 만들어졌다. 가속관은 2856 MHz의 S-band RF와 2/3π 가속모드를 이용한다.

슬롯 무료체험라인은 LH, 연X-선 분기라인, 그리고 BC들을 기준으로 L0~L4 구간들로 나눠진다. RF 모듈은 L0에서 가속 column 1대, L1에서 2대, L2~L4에서 4대를 포함한다. 펄스 압축기(SLED cavity)는 에너지 상승률을 높이기 위해 L2~L4의 RF 모듈에서 사용된다. 에너지 상승 값은 두 RF 모듈을 가진 L0에서 0.12 GeV, 두 RF 모듈을 가진 L1에서 0.23 GeV, 10개의 모듈을 가진 L2에서 2.2 GeV, 4개의 모듈을 가진 L3에서 1.0 GeV이다. 이 값들은 운행 중에는 주로 고정되는데, L0~L3의 RF 변수들이 주로 번치압축기와 전자빔의 종방향 분포에 큰 영향을 미친다. 반면에 27개의 모듈을 가진 L4에서는 경X-선 빔라인의 광자에너지 조절을 위해, 에너지 상승 값이 각 RF 모듈의 변화하는 펄스 타이밍을 통해 0~7.5 GeV로 조절된다. 연X-선 빔라인에는 에너지 상승 값이 0.25 GeV인 RF 모듈(L3S)이 하나 더 존재한다. 이는 상대적으로 더 높은 광자 에너지(1 keV 이상)가 필요한 XFEL 운전에서 사용된다.

자기 번치 압축기(BC)는 XFEL 장치에서 고전류 전자빔을 만들기 위해 전자 빔의 길이를 줄이는 장치이다. 전자 빔이 BC에 들어가기 전에, RF 시간 구조에 의해 전자 번치 조각들의 에너지 모듈레이션이 발생한다. BC에서는 고에너지의 번치 조각들이 저에너지의 것들보다 더 먼 거리를 이동한다. 따라서 빔을 압축하려면 뒷단의 번치 조각 에너지가 반드시 앞단의 것보다 높아야만 한다. XFEL 장치는 고전류와 낮은 에미턴스를 얻기 위해 주로 다단계의 BC들을 사용한다. 쌍극자석의 결맞은 싱크로트론 방사(CSR)가 야기하는 마이크로번칭 불안정성(MBI)이 자유전자레이저 성능을 저하시킬 수 있기 때문에, BC에서의 CSR-kick을 줄이는 것은 매우 중요한 문제이다.

PAL-XFEL은 경X-선 빔라인에서 3개의 BC를 사용하고, 연X-선에서는 1개의 BC를 더 사용한다. 이는 2개의 BC보다 3개의 BC를 사용하는 것이 전체적인 BC의 CSR-kick을 줄이는데 유리하기 때문이다. 각각의 BC는 4개의 쌍극자석으로 구성된다. BC1의 빔조절기는 번치 앞단과 뒷단의 조각들을 자르면서 에미턴스를 개선시킨다. 표준 운전에서는 입사기에서 나온 3 ps 길이의 빔이 최종적으로 경X-선에선 18 fs, 연X-선에선 27 fs로 압축된다.

XFEL의 전자빔은 최고점 가속위상에서 살짝 벗어난 지점에서 가속되는데, 이는 전자빔 번치 조각의 에너지 기울기가 번치압축을 위해 기울어져야하기 때문이다. 강한 자유전자레이저를 위해선 번치가 매우 강하게 압축되는데 이 과정에서 사인형태의 RF 시간곡률이나 BC에서의 2차 광학 효과와 같은 비선형 효과들이 우세해진다. 번치가 압축될수록, 자유전자레이저 생성을 방해하는 예상치 못한 효과를 야기하는 더욱 뾰족한 시간 스파이크들이 생성된다. 이 문제는 기본적인 RF 시간 구조에서 볼 수 있는 에너지 곡률 정도로 선형화해주는 고차하모닉 RF를 통해 해결될 수 있다. 이런 이유로, 우리는 고차 하모닉 RF 시스템을 ‘리니어라이저’라고 부른다.

PAL-XFEL은 2005년부터 새로운 디자인의 S-band 광음극 RF 전자총을 개발했다. BNL 타입 기반의 전자총이 2005년에 개발되었으며, 이는 세계 최초의 고광도 광음극 RF 전자총이다. 그러나, XFEL 장치를 위한 사양 달성에 많은 난관이 있었다. 우리는 배경 전류와 방전을 최소화하기 위해 전자총 디자인을 변경했다. 또한 진공 밀봉, 주파수 튜닝, 냉각, 레이저 입사 방식을 개선하였다. RF 포트 비대칭성으로 인해 발생한 쌍극&사극 자기장이 에미턴스를 저하하는 것도 문제였다. 이러한 자기장을 줄이기 위해 많은 노력을 기울였고, 대칭 구조를 위한 몇 가지 디자인들이 제시되었다 (반대쪽의 진공 포트를 가진 단일 RF 포트, 동축관에 의한 RF 피딩, 4면의 세 진공 포트가 달린 단일 RF 포트, 그리고 두 진공 포트가 달린 레이스 트랙 모양의 쌍 RF 포트 등). 여기서 마지막 디자인이 PAL-XFEL에 적용되었으며, 마침내 6 MeV, 250 pC, 3 ps, 60 Hz의 전자빔을 생성하는 전자총 개발에 성공하였다. 또한, 이 총을 이용하여 0.5 μm이하의 횡방향 에미턴스를 가지는 전자빔을 달성하였다.

XFEL은 낮은 에미턴스와 높은 전류의 고광도 전자빔을 요구하기 때문에, 공간전하 효과에 덜 민감해지는 시점인 수백 MeV에 도달한 이후, 전자빔이 1개 이상의 번치 압축기에서 압축된다. 압축을 통해 전자빔이 100배 짧아지고 나면, 전자빔의 품질이 종방향 마이크로번칭 불안정성(MBI)에 의해 훼손될 수 있다. 번치 길이보다 짧은 파장을 내는 결맞은 싱크로트론 방사(CSR)은 MBI를 일으키는 전자빔 밀도 모듈레이션을 증폭시킨다. 이러한 밀도 모듈레이션 증가를 피하기 위해서, 레이저 히터(LH) 시스템이 총 에너지 분포를 높임(가열)으로써 번치의 비상관 에너지 분포를 부드럽게 만든다. 그럼 부드러운 에너지 분포를 가진 가열된 번치가 첫 번째 번치 압축기에 들어갈 때 MBI를 억제할 수 있다. 이러한 결과로, 모든 압축 과정 이후에 감소된 MBI 덕분에 비상관 에너지 분포 역시 감소한다. 이는 XFEL 성능을 효과적으로 개선시킬 수 있다.

LH 시스템은 빔에너지가 138 MeV인 PAL-XFEL 입사기 뒤쪽에 설치되어있다. LH 시스템은 0.5 m 길이의 삽입장치와 4개의 자기 dipole로 이루어진 자기 시케인으로 구성되어있다. 사용되는 레이저는 760 nm 파장의 티타늄:사파이어 레이저이다. 광음극 RF 총의 전자빔 생성을 위해 적외선(IR) 레이저 펄스가 3차 하모닉 크리스탈을 통해 253 nm의 자외선(UV) 레이저로 변환된다. IR 레이저의 작은 마찰(약 10% 정도)이 레이저히팅 과정에서 일어난다. 삽입장치는 50 mm의 주기와 25 mm길이의 최소 틈을 가진다. 이 틈은 5 μm 정도의 정확성을 가지며 원격 조정되고, 상하의 자석을 동시에 움직임으로써 변화된다. 삽입장치는 평평한 영구자석 타입이다. 수평 및 수직 조정을 위한 보정장치 두 세트가 삽입장치 앞단과 뒷단에 설치되어있다.

PAL-XFEL은 두 개의 삽입장치 라인을 가지고 있다. 낮은 에미턴스와 높은 전류의 전자빔은 경X-선에서 2~15 keV, 연X-선에서 0.25~1.25 keV인 고광도 자유전자레이저를 만든다. 자유전자레이저 운전은 스펙트럼과 세기, 펄스 길이, 도착시간, 그리고 운영에 대해서 매우 높은 안정성을 지닌다.

XFEL의 삽입장치는 주로 반복적인 영구 쌍극자석의 구조로 이루어져 있다. 정자기장은 삽입장치 내부에서 파장 λu 만큼의 주기로 N-S 신호를 번갈아 간다. 싱크로트론 방사는 삽입장치를 통과하는 전자 번치로부터 만들어진다. 이 신호는 전자 번치 싱크로트론 방사와의 반복상호작용을 거치면서 더욱 증폭된다. 최종적으로는 전반적인 방사 세기는 지수함수적으로 증가하며 이 과정을 ‘자유전자레이저(FEL)’라고 부른다. XFEL의 광자 에너지는 입사 전자 에너지와 삽입장치 틈 간격에 의해 정의되는 변수 K에 의해 조절가능하다.

PAL-XFEL은 틈새 조절이 가능한 5 m 길이의 삽입장치를 사용한다. 경X-선 빔라인에는 총 20개의 삽입장치가 있고 연X-선 빔라인에는 7개의 삽입장치가 있다. 광자에너지는 경X-선의 경우 전자에너지를, 연X-선의 경우 삽입장치 틈을 조정하여 결정한다. 경X-선 빔라인의 8번째 삽입장치 뒤에는 self-seeding 구간이 있다.

경X-선의 삽입장치는 틈새 조절이 가능한 5 m 길이의 공기 중에 설치하는 planar 삽입장치이다. 이 삽입장치 디자인은 European XFEL 디자인을 벤치마크했다. 삽입장치의 파장 λu는 26 mm이고 최소 틈 간격은 8.3 mm인데 삽입장치 변수(K)는 1.97에 해당한다. 경X-선 빔라인에서는 광자 에너지가 전자 에너지에 의해 정해지기 때문에 9 mm 틈 간격에 해당하는 K=1.87 값을 고정값으로 사용한다. 인접 삽입장치들 사이에는 사극자석(QUAD), cavity 빔 위치 모니터(BPM), 빔 손실 모니터, 그리고 위상 변환기를 설치하기 위한 1.05 m 길이의 구간이 있다. QUAD는 beam based alignment (BBA)를 위한 이동장치에 장착되어있다. QUAD 이동장치와 cavity BPM이 달린 BBA는 지각운동을 보정하기 위해 주기적으로 조정된다.

우리는 각 삽입장치의 K 값을 유지하기 위해 주기적으로 삽입장치 gap 스캔을 통해 K-tuning 작업을 하고 있다. 삽입장치의 수직 위치는 ±2 mm 범위로 움직일 수 있다. 각 삽입장치의 최소 자기장 지역을 찾기 위한 수직 위치 스캐닝 역시 BBA와 함께 행해진다. 자유전자레이저 세기를 올리기 위해 삽입장치 테이퍼링과 위상 변환 스캔도 하고 있다. 덕분에 4~11 GeV, 150 pC, ~3 kA, 0.5 μm 횡방향 에미턴스의 전자빔과 함께, 2~15 keV SASE 자유전자레이저 운전에 대한 1 mJ 이상의 펄스 에너지를 달성하고 있다. 또한 매우 안정적인 운행도 하고 있다 (~5 % 세기 안정성, 빔 사이즈의 10 %보다 작은 위치 지터, ~3.5 eV 중심 스펙트럼 지터, 10 eV보다 작은 스펙트럼 대역폭, ~20 fs의 도착 시간 지터, 그리고 95 % 이상의 빔운영). 8번째 삽입장치 뒤에는 시케인과 크리스탈이 달린 셀프시딩 구간이 있다. 이를 이용해 ~0.5 eV 스펙트럼 대역폭과 함께 셀프시딩된 자유전자레이저를 유저들에게 제공하고 있다.

연X-선의 삽입장치는 틈새 조절이 가능한 5 m 길이의 외진공 타입인 planar 삽입장치이다. 이 삽입장치 디자인은 European XFEL 디자인을 벤치마크했다. 삽입장치의 파장 λu는 35 mm이고, 최소 틈 간격은 9.0 mm인데 삽입장치 변수(K)는 3.32에 해당한다. 입사 전자 에너지가 3 GeV로 고정되어 있기 때문에, 연X-선 빔라인에서는 광자 에너지가 삽입장치 틈 간격으로 조절된다. 인접 삽입장치들 사이에는 사극자석(QUAD), 캐비티 빔 위치 모니터(BPM), 빔 손실 모니터, 그리고 위상 변환기를 설치하기 위한 1.05 m 길이의 구간이 있다. QUAD는 beam based alignment (BBA)를 위한 이동장치에 장착되어있다. QUAD 이동장치와 cavity BPM이 달린 BBA는 지각운동을 보정하기 위해 주기적으로 조정된다.

우리는 각 삽입장치의 K 값을 유지하기 위해 주기적으로 삽입장치 gap 스캔을 통해 K-tuning 작업을 하고 있다. 삽입장치의 수직 위치는 ±2 mm 범위로 움직일 수 있다. 각 삽입장치의 최소 자기장 지역을 찾기 위한 수직 위치 스캐닝 역시 BBA와 함께 행해진다. 위상 변환기의 간격은 삽입장치 간격 변화에 맞춰서 최적의 조건으로 자동 조절된다. 때문에, 3 GeV, 150 pC, ~2 kA, 0.5 μm 횡방향 에미턴스의 전자빔과 함께, 0.25~1.25 keV SASE 자유전자레이저 운전에 대한 1012개 이상의 광자들을 제공하고 있다.

PAL-XFEL 프로젝트는 2011년 4월, 대한민국 포항시 슬롯 무료체험(PAL)에서 시작되었다.
대한민국 정부는 약 4,000억원(약 4억 미국 달러)의 예산과 함께 이 프로젝트를 시작했으며, 35명의 신규 입소자와 PLS-II의 연구원 39명의 구성원이 참여했다. PAL-XFEL 프로젝트는 2016년 11월에 완료되었다.

PAL-XFEL은 5대의 삽입장치를 위한 여유 공간을 가지고 있다 (경X-선 빔라인에 3대, 연X-선 빔라인에 2대). 그러나 주어진 예산은 삽입장치 2대 분량으로 한정되었다 (경X-선, 연X-선에 각각 1대). PAL이 이 프로젝트를 수행하는 주최기관이기 때문에, 프로젝트 예산은 상당한 비용을 피할 수 있었는데 건축 부지 마련과 전력망 같은 기반 시설 등의 비용 등이 그것이다. PAL-XFEL은 지면 위에 건설되었으며 기공은 2012년 6월에 착수, 연구소 건물은 2012년 9월부터 2015년 1월동안 건설되었고, 장비들의 설치는 2015년 12월에 완료되었다. 커미션은 방사 안전 허가가 난 이후 2016년 6월에 시작되었고, 2016년 6월 첫 0.5 nm SASE 자유전자레이저 방사를 달성했다. 프로젝트의 완료는 2016년 11월에 첫 0.15 nm 자유전자레이저의 포화와 함께 이루어졌다. 우리는 설계목표였던 0.1 nm 자유전자레이저 포화를 달성했고, 마침내 2017년 6월 이용자 서비스를 할 수 있었다.