Characterization and fiducialization of the XFEL undulator quadrupoles


Project leader


Funding source

Swedish Research Council - Vetenskapsrådet (VR)


Description

Mätningar av magnetfält med mikrometerprecision för upplinjering av XFEL XFEL är en röntgenfrielektronlaser - en anläggning som producerar enormt intensiv koherent röntgenstrålning - som man planerar att bygga vid forskningslaboratoriet DESY i Hamburg. En frielektronlaser består av en elektronstråle som går genom en magnetstruktur, en s.k. undulator, med ett stort antal magnetpoler av omväxlande polaritet. I magnetfältet gör elektronerna en sicksackrörelse och sänder ut elektromagnetisk strålning såsom alla elektriska laddningar i accelererad rörelse gör. Har man valt rätt parametrar hos elektronstrålen och undulatorn kommer strålningen från de olika magnetpolerna att kunna interferera konstruktivt och kan därför adderas till mycket hög intensitet. Strålningens våglängd bestäms i första hand av våglängden hos elektronernas sicksackrörelse, dvs av undulatorns period, och av elektronernas energi. Vid XFEL kommer man att producera röntgenstrålning med en våglängd ned till 1 ångström och med en intensitet som är nio till tio tiopotenser högre än vad som tidigare varit möjligt vid någon ljuskälla i röntgenområdet. Dessutom blir ljuspulserna oerhört korta, ca 100 femtosekunder. Ljuset från XFEL har alltså en våglängd av samma storleksordning som avståndet mellan atomer i molekyler och fasta kroppar, och ljuspulsernas utsträckning i tiden är av samma storleksordning som tiden det tar för förändringar att ske i reaktioner mellan molekyler. Med XFEL kommer man därför att kunna studera tidsberoende förlopp i mikrokosmos, "filma" molekylära reaktioner, på ett sätt som man inte varit i närheten av tidigare. Tillämpningar finns inom både biologi, kemi och fysik. Att dessa möjligheter dyker upp nu beror på ett antal tekniska genombrott. XFEL består av en linjär accelerator av ett par kilometers längd som ska grävas ned under Hamburgs förorter, och ett viktigt genombrott handlar om hur man kan uppnå tillräckligt starka accelerationsfält för att acceleratorn inte ska bli ännu mycket längre. Ett annat genombrott gäller metoden att skapa själva röntgenfotonerna utan att använda de speglar som krävs i vanliga lasrar - vid XFEL kan speglar inte användas eftersom röngtenstrålning skulle gå igenom dem istället för att reflekteras. Ytterligare en viktig pusselbit är upplinjeringen av acceleratorkomponenterna, och speciellt undulatorerna. Röntgenljuset som sänds ut går naturligtvis rakt fram längs en rät linje, och det visar sig att elektronerna i en undulator måste följa samma räta linje som ljuset med en avvikelse som inte får vara större än fem mikrometer över hela undulatorns längd som mer än tvåhundra meter. Manne Siegbahnlaboratoriet har sedan två år tillbaka ett samarbete med DESY relaterat till upplinjeringen av en speciell typ av acceleratorkomponenter, nämligen kvadrupolmagneter som fokuserar elektronstrålen i XFELs undulatorer. För att elektronerna ska gå rakt inom fem mikrometer måste kvadupolmagneterna vara upplinjerade med en noggrannhet på två mikrometer. En så hög noggrannhet går inte att uppnå med mekanisk upplinjering. Istället måste man utgå från elektronstrålen själv och exempelvis hur dess position påverkas av ändringar av kvadrupolfälten, och olika algoritmer för sådan så kallad strålbaserad upplinjering finns utarbetade. Gemensamt för dessa upplinjeringsmetoder är att kvadrupolfältens läge i rummet måste vara kända med en noggrannhet som är högre än den mekansika precisionen i tillverkningen av magneterna, och speciellt får kvadrupolfältens symmetriaxel inte flytta sig med mer än någon enstaka mikrometer när magnetfältens styrka ändras. I startversionen av XFEL kommer det att finnas 127 kvadrupolmagneter som måste uppfylla dessa krav på upplinjering och fältkvalitet. MSL:s samarbete med DESY innebär att MSL ska utveckla metoder för att mäta kvadrupolmagneternas fält med erforderlig noggrannhet. Mer specifikt ska förändringar i positionen hos fältens symmetriaxel vid ändringar av magnetfältets styrka kunna mätas med en upplösning på ca en mikrometer och den relativa positionen mellan symmetriaxeln och fysiska upplinjeringsmärken på utsidan av magneterna ska mätas med 50 mikrometers noggrannhet. Det här sökta anslaget syftar till att gå från den nuvarande prototypuppställningen där principerna för mätningarna har fastlagts till en utrustning som på ett mer repeterbart och automatiserat sätt kan användas för mätning och dokumentering av alla de 127 magneterna när de kommer från tillverkaren.


Last updated on 2017-05-04 at 08:27