Statistical Properties of the X-ray Radiation at Large Scale Facilities

Abstract

The development of cutting-edge materials crucially depends on the available instruments and technologies for its systematic study and analysis. One of the instruments that drive the progress is an X-ray microscope, a state-of-the-art machine that is “decoding the complexity of nature". The 4th generation synchrotron storage rings (SSR), which are also known as Diffraction-limited storage rings (DLSR), and X-Ray Free-Electron Lasers (XFEL) are the best examples of such advanced microscopes. The investigation principle by such X-ray microscopes is based on applying advanced research methods and imaging techniques. The key requirements are the space and time resolution, high flux, and coherence of the probing X-ray beam that are provided by the 4th generation X-ray sources and XFELs. One of the most challenging tasks for the DLSRs and XFELs is photon diagnostics, namely, the precise determination of the photon source statistical parameters. The photon statistics of the 4th generation sources are notably different from that of their predecessors. Therefore, there is a significant demand for developing adequate and effective methods that correctly describe radiation properties from such ultimate facilities. An excellent approach and the analysis method, providing the information about the photon source, lies within the framework of statistical optics. The present thesis is focused on the extensive analysis of statistical properties of modern X-ray sources at large-scale facilities, such as the 4th generation high-energy storage ring PETRA IV, European XFEL (EuXFEL), and XFEL at Pohang Accelerator Laboratory (PAL-XFEL). Special attention is paid to the effects that may decrease coherence characteristics and impact source properties at these facilities. The present thesis is divided into two parts, where a comprehensive analysis of the coherence properties of the DLSR radiation is presented in the first part. Attention is paid to the optics effects on the photon beam transported through the beamline, electron beam energy spread effects on coherence and brightness of a DLSR photon source, and resonant energy detuning effects. A method in the framework of statistical optics is proposed as an adequate approach for the characterization of photon beam properties at DLSR facilities. The analysis is backed up with semi-analytical simulations based on the proposed model. The second part of the thesis is devoted to photon source diagnostics and the precise determination of the statistical parameters at high-energy XFEL facilities. Results of experiments performed at EuXFEL and PAL-XFEL are discussed in this part of the thesis. The method within the framework of statistical optics for the EuXFEL photon beam characterization is described, where special attention was paid to the monochromator resolution and the interplay between the resolution and the size of the exit slits of the monochromator. The method was applied to three different regimes of the XFEL operation and was checked with simple analytical simulations. The influence of the energy chirp effect on the analysis results was considered as well. Further, the photon source diagnostics is presented for the PAL-XFEL facility, operating in the Self-Amplified Spontaneous Emission (SASE) regime with the wide bandwidth beam and filtered monochromatic beam, as well as in the regime of Self-Seeding (SS) with highly intense radiation.

Neue wissenschaftliche Erkenntnisse und die Schaffung neuartiger Materialien liegen in den Produktionstechnologien, der Industrieentwicklung, dem Digitalisierungsgrad, den Hightech-Anwendungen und damit dem Lebensstandard und dem Wohlstand. Die Entwicklung dieser hochmodernen Materialien hängt entscheidend von den verfügbaren Instrumenten und Technologien zu ihrer systematischen Untersuchung und Analyse ab. Eines dieser Instrumente, das den Fortschritt vorantreibt, ist ein Röntgenmikroskop in Großforschungsanlagen, eine hochmoderne Maschine, welche „die Komplexität der Natur entschlüsselt“. Die Synchrotron-Speicherringe (SSR) der 4. Generation, die auch als beugungsbegrenzte Speicherringe (DLSR) oder Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (XFEL) bekannt sind, sind die besten Beispiele für solch fortschrittliche Mikroskope. Das Untersuchungsprinzip solcher Röntgenmikroskope in Großforschungsanlagen basiert auf der Anwendung fortschrittlicher Forschungsmethoden und bildgebender Verfahren. Die Hauptmerkmale der angewandten Methoden und Techniken basieren auf der räumlichen und zeitlichen Auflösung des Röntgenstrahls und der Verwendung einer hochkohärenten hellen Röntgenphotonenquelle. Eine der anspruchsvollsten Aufgaben für die DLSR- und XFEL-Photonendiagnostik ist die genaue Bestimmung der statistischen Parameter der Photonenquelle. Ein hervorragender Ansatz und die Analysemethode, die Informationen über die Photonenquelle liefert, liegt im Rahmen der statistischen Optik. Die Strahlungsquelle an DLSR-Anlagen unterscheidet sich deutlich von der ihres Vorgängers, und die Strahlungsquelle am XFEL besitzt eine einzigartige zeitliche Struktur und statistische Eigenschaften. Daher besteht ein erheblicher Bedarf an der Entwicklung geeigneter und wirksamer Methoden, die die Strahlungseigenschaften solcher hochmodernen Einrichtungen korrekt beschreiben. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die umfassende Analyse statistischer Eigenschaften moderner Röntgenquellen an Großforschungsanlagen, wie dem Hochenergiespeicherring PETRA IV der 4. Generation, European XFEL (EuXFEL) und XFEL am Pohang-Beschleunigerlabor (PAL-XFEL). Besondere Aufmerksamkeit wird den Effekten geschenkt, die die Kohärenzeigenschaften und die Quelleneigenschaften in diesen Einrichtungen beeinträchtigen können. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei Teile, wobei im ersten Teil eine umfassende Analyse der Kohärenzeigenschaften der DLSR-Strahlung vorgestellt wird. Aufmerksamkeit wird den optischen Effekten auf den durch die Strahllinie transportierten Photonenstrahl, den Effekten der Elektronenstrahl-Energieverteilung auf die Kohärenz und Helligkeit einer DLSR-Photonenquelle und den Resonanzenergie-Verstimmungseffekten geschenkt. Als adäquater Ansatz zur Charakterisierung von Photonenstrahleigenschaften an DLSR-Anlagen wird eine Methode im Rahmen der statistischen Optik vorgeschlagen. Die Analyse wird durch semianalytische Simulationen basierend auf dem vorgeschlagenen Modell und spezialisierter Software unterstützt. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der Photonenquellendiagnostik und der genauen Bestimmung der statistischen Parameter von Hochenergie-XFEL-Anlagen. In diesem Teil werden die Ergebnisse von Experimenten diskutiert, die am EuXFEL und PAL-XFEL durchgeführt wurden. Die Photonenstrahlcharakterisierung wird im Rahmen der statistischen Optik beschrieben, wobei besonderes Augenmerk auf die Monochromatorauflösung und das Zusammenspiel zwischen Auflösung und Größe der Austrittsspalte des Monochromators gelegt wurde. Die verwendete Methode wurde auf drei verschiedene Betriebsmodi des EuXFEL angewendet und mit einfachen analytischen Simulationen überprüft. Auch der Einfluss des Energy-Chirp-Effekts auf die Analyseergebnisse wurde berücksichtigt. Darüber hinaus wird die Photonenquellendiagnostik für die PAL-XFEL-Anlage vorgestellt. Diese Anlage kann sowohl im Modus der selbstverstärkten Spontanemission mit einem breitbandigen Strahl und einem gefilterten monochromatischen Strahl als auch im Modus des Self-Seeding mit hochintensiver Strahlung betrieben werden.