BioXFEL Science: Future plans "Research: Current work - PowerPoint PPT Presentation

A ¡US ¡Na'onal ¡Science ¡Founda'on ¡Science ¡and ¡Technology ¡Center . ¡ BioXFEL ¡Science: ¡Future ¡plans ¡ ¡ "Research: ¡Current ¡work ¡(?) ¡and ¡Future ¡Goals ¡(40 ¡min ¡presentaCon ¡+ ¡20 ¡min ¡Q&A)" ¡ ¡ Structure ¡of ¡talk ¡ 1. ¡Statement ¡of ¡future ¡goals. ¡ 2. ¡Future ¡XFELs ¡ ¡and ¡their ¡faciliCes: ¡EXFEL ¡& ¡LCLS ¡2. ¡ 3. ¡Plans ¡for ¡future ¡STC ¡research ¡and ¡how ¡they ¡advance ¡our ¡goals. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ JCHS ¡ ¡STC ¡First ¡annual ¡site ¡visit ¡June ¡19 ¡ ¡2014 ¡ ¡Buffalo ¡ ¡40 ¡mins, ¡+ ¡20 ¡mins ¡discussion. ¡

The ¡research ¡thrust ¡of ¡BioXFEL ¡STC ¡is ¡summarized ¡in ¡our ¡strategic ¡plan ¡ as ¡the ¡ development ¡and ¡applica'on ¡of ¡free-­‑electron ¡X-­‑ray ¡lasers ¡(FELs) ¡ to ¡structural ¡biology ¡and ¡structural ¡dynamics. ¡ ¡

The ¡DOE ¡is ¡building ¡a ¡second ¡X-­‑ray ¡laser ¡at ¡SLAC. ¡ ¡ $400E6 ¡awarded ¡of ¡$750E6. ¡Work ¡has ¡started ¡on ¡LCLS ¡2. ¡ ¡ -­‑ ¡SuperconducCng ¡Linac. ¡ -­‑ ¡High ¡rep ¡rate. ¡(Detector ¡readout ¡ ¡2 ¡kHz ¡, ¡or ¡5MHz ¡(spectroscopy) ¡ -­‑ ¡StaCons ¡will ¡be ¡working ¡around ¡2016, ¡LCLS ¡2 ¡around ¡2019 ¡ -­‑ ¡About ¡the ¡same ¡number ¡of ¡photons ¡per ¡pulse ¡as ¡LCLS ¡1. ¡ ¡Get ¡same ¡data ¡faster. ¡

The Revised LCLS-II Project in Response to BESAC LCLS ¡ ¡2 ¡ recommendations Superconducting linac : 4 GeV Accelerator New variable gap (north) Undulators in existing New variable gap (south), replaces existing fixed-gap und. LCLS-I Tunnel Re-purpose existing instruments (instrument and detector Instruments upgrades needed to fully exploit) North side source: NEH FEH 14 GeV LCLS linac still used 4 GeV SC Linac 0.2-1.2 keV ( up to ~1M Hz) for x-rays up to 25 keV In sectors 0-10 South side source: 1.0 - 25 ¡keV ¡(120 ¡Hz, ¡copper” ¡linac ¡) 1.0 - 5 keV ( up to ~1M Hz, SC Linac) 5 Chi-­‑Chang ¡ ¡Kao. ¡ ¡Starts ¡2019 ¡. ¡Uwe ¡Bergman ¡is ¡interim ¡ ¡LCLS ¡Boss. ¡

LCLS ¡needs ¡6 ¡new ¡injectors ¡! ¡ An ¡enCrely ¡new ¡SFX ¡hutch, ¡ ¡"MFX" ¡ installed ¡before ¡LCLS ¡2 ¡ Detailed Technical X-ray Optics Modified MEC Mirror Slits and Diagnostics Considerations Collimator Diagnostics Optics and Design Intensity Monitor Every LCLS X-ray shot is new and presents unique Regarding X-ray diagnostics: designs will be reused for Profile Monitor characteristics due to the intrinsic nature of XFEL beams the X-ray optical systems required to manipulate the The following sections of this document describe in that result from the amplification of random noise in X-ray pulse parameters. All such devices are already in XRT Pulse Shutter greater detail the technical aspects required to make the electron beam. Diagnostics are therefore critical to use at multiple beamlines at LCLS. Figure 10 and Figure the MFX instrument in LCLS Hutch 4.5 a reality. characterize every pulse from the machine. Previous 11 show these diagnostics in the XRT and Hutch 4. Calibration Foils instrumentation projects at LCLS have designed and These will include: Single Shot Spectrometer fabricated a suite of diagnostics that are in full use at Beamline Layout and Schematic �� A pulse selector Attenuators all four LCLS hard X-ray instruments. The same designs The schematic layout of the components of the pro- will be used for the new beamline diagnostics. Figure �� Allows individual pulses or a train of pulses Intensity Monitor posed MFX instrument is shown on Figure 9. It includes 10 and Figure 11 show these diagnostics in the XRT and to be selected and allowed to propagate to the Profile Monitor the necessary devices for beam transport through the Hutch 4. These will include: sample. Such a device is absolutely critical to XRT and Hutch 4. Some of the components are placed Collimator allowing multiplexing of the beam, as it allows �� Profile-intensity monitors in Hutch 4. These devices do not need frequent access every instrument to select its own repetition PPS Photon Stoppers and therefore need not be located in the new Hutch 4.5. �� Beam viewers to measure the profile and rate or pulse train it needs independently of Collimator The components requiring close proximity to intensity of the beam. other hutches. the interaction region with the X-rays are located �� Intensity-position monitors [10] �� Attenuators in Hutch 4.5. Slits �� Transmissive intensity monitors for single- �� A set of silicon foils of various thicknesses, Intensity Monitor X-ray Beam Transport shot diagnostics of beam intensity and independently inserted into the beam to Hutch 4 Profile Monitor position fluctuations. control the intensity of the beam. The X-ray beam transport vacuum system will be Be Lenses �� Single-shot spectrometer [11-13] based on the very similar system already built for the Slits MEC instrument located in Hutch 6. The design and �� A thin bent crystal to spectrally disperse the engineering of the MEC beamline through the XRT and Intensity Monitor beam allows measuring the energy spectrum of part of Hutch 4 will be leveraged to minimize effort and every LCLS pulse. Profile Monitor cost for the Hutch 4.5 beamline. �� Timing diagnostics [14] Reference Laser Timing Dianostic �� Cross-correlation of the arrival time of Figure 9: Schematic layout of the optical components of the MFX instrument serving Hutch 4.5. In black are optical pump lasers and the X-ray pulse with Attenuators displayed components that are part of the baseline a few femtosecond accuracy for time- Figure 11: Layout of the MFX components located at scope of the proposal. Components in blue are exist- Slits resolved measurements. the end of Hutch 4 and in the new Hutch 4.5. ing components shared with other LCLS instruments. Components in red indicate possible upgrades. Hutch 4.5 Laser In-coupling Goniometer Detector and Support Robot Detector Arm Figure 10: Layout of the components of the MFX Intensity Monitor instrument located at the end of the XRT. These components are mounted on orange stands, while Profile Monitor the others are existing components used by the other instruments located in the Far Experimental Hall. 12 LCLS Hutch 4.5 TDR LCLS Hutch 4.5 TDR 13 Total ¡of ¡6 ¡SFX ¡chambers ¡soon: ¡CXI, ¡microdiffracCon ¡CXI, ¡Refocus ¡CXI, ¡In-­‑air ¡CXI, ¡ ¡MFX, ¡ ¡Lamp ¡

What ¡are ¡plans ¡for ¡XFEL ¡growth ¡– ¡in ¡USA, ¡worldwide. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡1. ¡LCLS ¡expansion. ¡ ¡Hutch ¡4.5, ¡ ¡Lamp ¡(soi ¡X-­‑rays), ¡CXI, ¡ ¡CXI ¡microdiffracCon, ¡XPP ¡(in ¡air), ¡XCS ¡? ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2. ¡LCLS ¡2. ¡("NGLS@SLAC"). ¡ ¡SC, ¡MulCple ¡endstaCons ¡switchyard, ¡High ¡Rep ¡Rate. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡3. ¡ ¡An ¡alosecond ¡"table-­‑top" ¡XFEL ¡, ¡similar ¡to ¡DESY, ¡has ¡been ¡proposed ¡in ¡Texas ¡ ¡ Immediate ¡future ¡at ¡LCLS ¡ expect ¡ ¡ 1. ¡New ¡staCon ¡within ¡CXI ¡ main ¡chamber. ¡(total ¡3) ¡ ¡ 2. ¡Air ¡staCon ¡at ¡end ¡? ¡ ¡ 3. ¡Do ¡LCP ¡in ¡air ¡at ¡XPP ¡? ¡ ¡ . ¡ 4. ¡Lamp. ¡Soi ¡Xrays. ¡ ¡ 5. ¡Completely ¡new ¡staCon ¡ MFX ¡in ¡2 ¡years, ¡ ¡ before ¡LCLS ¡2. ¡ ¡

MFX ¡

How ¡to ¡create ¡more ¡Beam,me ¡ • Serial ¡Serial ¡Femtosecond ¡Crystallography ¡ • The ¡beam ¡passing ¡through ¡a ¡4 ¡micron ¡water ¡jet ¡is ¡minimally ¡alenuated ¡ – > ¡97% ¡transmission ¡for ¡4 ¡keV ¡and ¡above ¡ • There’s ¡a ¡hole ¡in ¡the ¡detector, ¡use ¡it! ¡ • Refocus ¡and ¡reuse ¡the ¡beam ¡instead ¡of ¡dumping ¡it ¡in ¡the ¡wall ¡ NGLS ¡will ¡have ¡fan-­‑out, ¡division ¡in ¡Cme. ¡

The ¡STC ¡has ¡access ¡to ¡the ¡european ¡XFEL ¡at ¡DESY ¡(Hamburg), ¡starts ¡2016 . ¡ The SPB/SFX optics layout and instrumentation (EXFEL) ¡ The European XFEL Now ¡under ¡ construcCon ¡ /SFX at ¡DESY ¡ ¡ in ¡Hamburg ¡