Ein neuartiges Interferometer zur Messung magneto-optischer Effekte an L-Absorptionskanten von ferromagnetischen Metallen mit linearpolarisierter Undulatorstrahlung

Am Mainzer Mikrotron MAMI wurde ein neuartiges Interferometer entwickelt und getestet, mit dem magneto-optische Effekte an dünnen, freitragenden Folien von 3d-Übergangsmetallen wie Eisen, Kobalt oder Nickel an den L_{2,3}-Absorptionskanten (im Spektralbereich der weichen Röntgenstrahlung) gemessen werden können. Es handelt sich um eine Weiterentwicklung eines an MAMI erprobten Interferometers, das im wesentlichen aus einer kollinearen Anordnung zweier identischer Undulatoren, zwischen die die dünne Probefolie eingebracht wird, und einem Gitterspektrometer besteht. Aus den als Funktion des Abstands der Undulatoren beobachtbaren Intensitätsoszillation lassen sich das Dekrement des Realteils δ und der Absorptionskoeffizient β des komplexen Brechungsindex bestimmen.rnIm Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Apparatur derart weiterentwickelt, dass auch die magnetisch zirkulare Doppelbrechung Δδ und der magnetisch zirkulare Dichroismus Δβ an den L_{2,3}-Absorptionskanten von Übergangsmetallen gemessen werden können. Der zweite Undulator wurde um die Elektronenstrahlachse um den Winkel Ψ = ±107° drehbar gemacht. Damit dient er auch als Analysator der aus der Folie austretenden elliptisch polarisierten weichen Röntgenstrahlung, für die - wie bei der Faraday-Rotation - die Polarisationsebene gedreht ist. Weiterhin kann die Spaltbreite der 10-poligen Hybrid-Undulatoren mit einer Periodenlänge von 12 mm und damit der Undulatorparameter über eine Antriebsmechanik kontinuierlich variiert werden, wodurch eine optimale Anpassung der Amplituden der Undulatorstrahlung aus den beiden Undulatoren möglich wird. Der maximale Undulatorparameter beträgt K = 1.1. Auch das Spektrometer, das auf einem selbstfokussierenden Gitter mit variierter Liniendichte (im Mittel 1400 Linien / mm) basiert, wurde weiterentwickelt. Als Detektor kommt jetzt eine fensterlose CCD mit 1024 x 1024 Pixeln und einer Pixelgröße von 13 μm x 13 μm zum Einsatz, die im Bildmodus betrieben wird, was die gleichzeitige Messung eines Energieintervalls von ca. 50 eV ermöglicht. Die totale Linienbreite wurde bei einer vertikalen Strahlfleckausdehnung von σ_y = 70 μm (rms) am Neon 1s-3p Übergang bei (867.18 ±0.02) eV zu Δħω = (0.218 ±0.002) eV (FWHM) gemessen. Das hohe Auflösungsvermögen von 4000 und die Möglichkeit der Eichung gegen den 1s-3p Übergang von Neon wurden ausgenutzt, um die Energie der Maxima an den Absorptionskanten von Nickel (weiße Linien) neu zu bestimmen. Die Ergebnisse E_{L_2}=(869.65_{-0.16}^{+0.27}) eV und E_{L_3}=(852.37_{-0.11}^{+0.16}) eV stellen eine Verbesserung früherer Messungen dar, die große Streuungen aufwiesen.rnAus systematischen Messungen als Funktion des Abstandes der Undulatoren und des Drehwinkels Ψ wurden die magnetisch zirkulare Doppelbrechung Δδ im Energiebereich 834 eV ≤ ħω ≤ 885 eV an einer freitragenden, bis zur Sättigung magnetisierten Nickelfolie der Dicke von (96.4 ±2.7) nm gemessen. Sowohl das Auflösungsvermögen als auch die Genauigkeit der Messungen für Δδ übersteigen bekannte Literaturangaben signifikant, so dass eine bisher nicht bekannte Feinstruktur gefunden werden konnte. Außerdem wurde der Betrag des magnetisch zirkularen Dichroismus |Δβ| im Bereich des Maximums an der L_3-Absorptionskante mit hoher Genauigkeit gemessen.rn

Experimental Study of Storage Ring Free-Electron Laser with Novel Capabilities

The Duke Free-electron laser (FEL) system, driven by the Duke electron storage ring, has been at the forefront of developing new light source capabilities over the past two decades. In 1999, the Duke FEL demonstrated the first lasing of a storage ring FEL in the vacuum ultraviolet (VUV) region at $194$ nm using two planar OK-4 undulators. With two helical undulators added to the outboard sides of the planar undulators, in 2005 the highest FEL gain ($47.8\%$) of a storage ring FEL was achieved using the Duke FEL system with a four-undulator configuration. In addition, the Duke FEL has been used as the photon source to drive the High Intensity $\gamma$-ray Source (HIGS) via Compton scattering of the FEL beam and electron beam inside the FEL cavity. Taking advantage of FEL's wavelength tunability as well as the adjustability of the energy of the electron beam in the storage ring, the nearly monochromatic $\gamma$-ray beam has been produced in a wide energy range from $1$ to $100$ MeV at the HIGS. To further push the FEL short wavelength limit and enhance the FEL gain in the VUV regime for high energy $\gamma$-ray production, two additional helical undulators were installed in 2012 using an undulator switchyard system to allow switching between the two planar and two helical undulators in the middle section of the FEL system. Using different undulator configurations made possible by the switchyard, a number of novel capabilities of the storage ring FEL have been developed and exploited for a wide FEL wavelength range from infrared (IR) to VUV. These new capabilities will eventually be made available to the $\gamma$-ray operation, which will greatly enhance the $\gamma$-ray user research program, creating new opportunities for certain types of nuclear physics research.

With the wide wavelength tuning range, the FEL is an intrinsically well-suited device to produce lasing with multiple colors. Taking advantage of the availability of an undulator system with multiple undulators, we have demonstrated the first two-color lasing of a storage ring FEL. Using either a three- or four-undulator configuration with a pair of dual-band high reflectivity mirrors, we have achieved simultaneous lasing in the IR and UV spectral regions. With the low-gain feature of the storage ring FEL, the power generated at the two wavelengths can be equally built up and precisely balanced to reach FEL saturation. A systematic experimental program to characterize this two-color FEL has been carried out, including precise power control, a study of the power stability of two-color lasing, wavelength tuning, and the impact of the FEL mirror degradation. Using this two-color laser, we have started to develop a new two-color $\gamma$-ray beam for scientific research at the HIGS.

Using the undulator switchyard, four helical undulators installed in the beamline can be configured to not only enhance the FEL gain in the VUV regime, but also allow for the full polarization control of the FEL beams. For the accelerator operation, the use of helical undulators is essential to extend the FEL mirror lifetime by reducing radiation damage from harmonic undulator radiation. Using a pair of helical undulators with opposite helicities, we have realized (1) fast helicity switching between left- and right-circular polarizations, and (2) the generation of fully controllable linear polarization. In order to extend these new capabilities of polarization control to the $\gamma$-ray operation in a wide energy range at the HIGS, a set of FEL polarization diagnostic systems need to be developed to cover the entire FEL wavelength range. The preliminary development of the polarization diagnostics for the wavelength range from IR to UV has been carried out.