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개요

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.

설명

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.

설명

PAL-XFEL은 틈새 조절이 가능한 5m 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-선
삽입장치 라인

설명

경X-선의 삽입장치는 틈새 조절이 가능한 5m 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.

설명

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-선
삽입장치 라인

설명

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.

설명

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.