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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
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Technical Physics
Start/End 01.01.2018 - 31.12.2021
Approved amount 235'964.00
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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

Publications

Publication
Self-synchronized and cost-effective time-resolved measurements at x-ray free-electron lasers with femtosecond resolution
Dijkstal Philipp, Malyzhenkov Alexander, Craievich Paolo, Ferrari Eugenio, Ganter Romain, Reiche Sven, Schietinger Thomas, Juranić Pavle, Prat Eduard (2022), Self-synchronized and cost-effective time-resolved measurements at x-ray free-electron lasers with femtosecond resolution, in Physical Review Research, 4(1), 013017-013017.
Single- and two-color attosecond hard x-ray free-electron laser pulses with nonlinear compression
Malyzhenkov Alexander, Arbelo Yunieski P., Craievich Paolo, Dijkstal Philipp, Ferrari Eugenio, Reiche Sven, Schietinger Thomas, Juranić Pavle, Prat Eduard (2020), Single- and two-color attosecond hard x-ray free-electron laser pulses with nonlinear compression, in Physical Review Research, 2(4), 042018-042018.
High-resolution dispersion-based measurement of the electron beam energy spread
Prat Eduard, Dijkstal Philipp, Ferrari Eugenio, Malyzhenkov Alexander, Reiche Sven (2020), High-resolution dispersion-based measurement of the electron beam energy spread, in Physical Review Accelerators and Beams, 23(9), 090701-090701.
Demonstration of two-color x-ray free-electron laser pulses with a sextupole magnet
Dijkstal P., Malyzhenkov A., Reiche S., Prat E. (2020), Demonstration of two-color x-ray free-electron laser pulses with a sextupole magnet, in Physical Review Accelerators and Beams, 23(3), 030703-030703.
Demonstration of Large Bandwidth Hard X-Ray Free-Electron Laser Pulses at SwissFEL
Prat Eduard, Dijkstal Philipp, Ferrari Eugenio, Reiche Sven (2020), Demonstration of Large Bandwidth Hard X-Ray Free-Electron Laser Pulses at SwissFEL, in Physical Review Letters, 124(7), 074801-074801.
Generation and Characterization of Intense Ultralow-Emittance Electron Beams for Compact X-Ray Free-Electron Lasers
Prat E., Dijkstal P., Aiba M., Bettoni S., Craievich P., Ferrari E., Ischebeck R., Löhl F., Malyzhenkov A., Orlandi G. L., Reiche S., Schietinger T. (2019), Generation and Characterization of Intense Ultralow-Emittance Electron Beams for Compact X-Ray Free-Electron Lasers, in Physical Review Letters, 123(23), 234801-234801.
The SwissFEL soft X-ray free-electron laser beamline: Athos
Abela Rafael, Alarcon Arturo, Alex Jürgen, Arrell Christopher, Arsov Vladimir, Bettoni Simona, Bopp Markus, Bostedt Christoph, Braun Hans-Heinrich, Calvi Marco, Celcer Tine, Craievich Paolo, Dax Andreas, Dijkstal Philipp, Dordevic Sladana, Ferrari Eugenio, Flechsig Uwe, Follath Rolf, Frei Franziska, Gaiffi Nazareno, Geng Zheqiao, Gough Christopher, Hiller Nicole, Hunziker Stephan, et al. (2019), The SwissFEL soft X-ray free-electron laser beamline: Athos, in Journal of Synchrotron Radiation, 26(4), 1073-1084.

Datasets

Demonstration of Two-Color X-ray Free-Electron Laser Pulses with a Sextupole Magnet

Author Dijkstal, Philipp
Publication date 02.12.2019
Persistent Identifier (PID) 10.5281/zenodo.3559715
Repository Zenodo
Abstract
In compliance with guidelines from SNSF (Swiss National Science Foundation), we upload the raw data that belongs to a publication we submitted to Physical Review Accelerators and Beams.The dataset also contains the analysis scripts used to produce most of the plots we show in the publication.

Self-synchronized cost-effective time-resolved measurements at x-ray free-electron lasers with femtosecond resolution

Author Dijkstal, Philipp
Publication date 30.11.2021
Persistent Identifier (PID) 10.5281/zenodo.5759824
Repository Zenodo
Abstract
In compliance with guidelines from SNSF (Swiss National Science Foundation), we upload the raw data that belongs to a publication we submitted to Physical Review Research.The dataset also contains the analysis scripts used to produce the plots we show in the publication.Our software is attached to the dataset. An installation of the well known ELEGANT code is required to run it.Shortly after upload of the first version of this dataset, a bug was found in the analysis software.The second version contains the corrected software.

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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