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Shaping of X-ray Free-Electron Laser Pulses at the SwissFEL hard X-ray Beamline Aramis

English title Shaping of X-ray Free-Electron Laser Pulses at the SwissFEL hard X-ray Beamline Aramis
Applicant Reiche Sven
Number 175498
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Technical Physics
Start/End 01.01.2018 - 31.12.2020
Approved amount 177'918.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Technical Physics
Other disciplines of Physics

Keywords (3)

Pulse Shaping; Accelerator Physics; Free Electron Laser

Lay Summary (German)

Lead
Freie-elektronen Laser erzeugen intensive und kohärente Lichtpulse im Röntgenbereich, die zur Untersuchung von physikalischen, chemischen oder biologischen Prozessen dient. Wegen der kurzen Wellenlänge können die Positionen von einzelnen Atomen vermessen werden mit einer zeitlichen Auflösung von unter 100 Femtosekunden; eine Zeitspanne, in der das Licht nur 50 Mikrometer vorankommt, in etwa die Dicke eines Haares. Um solch ein Forschungsinstrument den schweizern Forschern zugänglich zu machen, wurde die nationale Forschungsanlage SwissFEL am Paul Scherrer Institut gebaut, die sich grad in der Phase der Inbetriebnahme befindet.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Die Länge des FEL-Pulses ist durch die Länge des relativistischen Elektronstrahls gegeben, der den Röntgenpuls erzeugt. Diese ist momentan auf 100 Femtosekunden begrenzt, da kürzere Pulse die Freie-elektronen Laser Leistung erheblich reduzieren würde. Allerdings wollen die Anwender der Strahlung gerne noch schnellere Prozesse vermessen bis zu einer Auflösung von nur einer Femtosekunde. Dieser Wunsch kann durch eine Manipulation des relativistischen Elektronenstrahles erfüllt werden. Die vorgeschlagene Lösung ist den Elektronenstrahl querzustellen. Nur der kleinere Teil des Strahles, wo sich die Elektronen genau auf der Achse befinden, wird Strahlung produzieren. Die Studien untersuchen verschiedene Möglichkeiten dieser Drehung des Strahles sowie des experimentelle Nachweises bei dem Röntgenlasers ARAMIS von SwissFEL.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Mit einer Zeitauflösung von 1 fs können die schnellsten Prozesse in chemischen Stoffen wie z.B. Kristalle, Moleküle und Atome nachgewiesen werden, weil in etwa diese Zeitskala passiert, dass Elektronen angeregt werden und von einem Atom auf andere transferiert werden können. Dieses erlaubt daher das Studium fundamentaler Prozesse.  Als ein Beispiel ist die zeitliche Aufnahme von katalytischen Prozessen genannt. Damit kann dann gezielt die Reaktion untersucht und optimiert werden, wie zum Beispiel die künstliche Photosynthese, wo CO2 neutral Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und Wasser in Kraftstoff umgewandelt werden ohne dass neben dem Sonnenlicht Energie aufgewendet werden muss. Andere Beispiele für Forschungen mit femtosekunden-langen Röntgenpulsen sind neue Arzneien oder schnellere Speichermedien für digitale Daten.

Direct link to Lay Summary Last update: 07.11.2017

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Abstract

SwissFEL is a linac-based free-electron laser facility at the Paul Scherrer Institute, currently in the commissioning phase of the main machine and the hard X-ray FEL beamline Aramis. Regular user operation will begin in fall 2018, when also the realization of the soft X-ray beamline Athos will start. The main operation of Aramis is the self-amplified spontaneous emission (SASE) FEL mode which produces an FEL pulse roughly the same length as the driving relativistic electron bunch.To offer more flexibility in shaping the FEL pulse for the users of Aramis, we propose to tilt the electron bunch prior to injection into the undulator. This will give shorter pulses, two or more pulses or a spatially chirped pulse without a modification of the main machine configuration and thus avoiding a possible interference with the operation of the future Athos beamline, which relies on same settings of the main machine. In addition the studies will also pave the way to several new unique operation modes for Athos, based on a tilted beam, such as TW-attosecond pulses or an ultra-broadband FEL signal.The research is part of a Ph.D. thesis which also expands the various operation modes of SwissFEL, needed to keep SwissFEL competitive with other, larger FEL facilities worldwide.
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