The European X-ray Free-Electron Laser Facility in Germany delivers x-ray pulses with femtosecond pulse duration at a repetition rate of up to 4.5 MHz. The free-electron laser radiation is created by the self-amplified spontaneous emission (SASE) process, whose stochastic nature gives rise to shot-to-shot fluctuations in most beam properties, including spectrum, pulse energy, spatial profile, wavefront, and temporal profile. Each spectrum consisting of many spikes varies in width and amplitude that appear differently within the envelope of the SASE spectrum. In order to measure and study the SASE spectrum, the HIgh REsolution hard X-ray single-shot (HIREX) spectrometer was installed in the photon tunnel of the SASE1 undulator beamline. It is based on diamond gratings, bent crystals as a dispersive element, and a MHz-repetition-rate strip detector. It covers a photon energy range of 3 keV–25 keV and a bandwidth of 0.5% of the SASE beam. The SASE spikes are resolved with 0.15 eV separation using the Si 440 reflection, providing a resolving power of 60 000 at a photon energy of 9.3 keV. The measured SASE bandwidth is 25 eV. In this paper, we discuss the design specifications, installation, and commissioning of the HIREX spectrometer. The spectral results using Si (110), Si (111), and C (110) crystals are presented.

1.
M.
Altarelli
,
R.
Brinkmann
,
M.
Chergui
,
W.
Decking
,
B.
Dobson
,
S.
Düsterer
,
G.
Grubel
,
W.
Graeff
,
H.
Graafsma
,
J.
Hajdu
,
J.
Marangos
,
J.
Pflüger
,
H.
Redlin
,
D.
Riley
,
I.
Robinson
,
J.
Rossbach
,
A.
Schwarz
,
K.
Tiedtke
,
T.
Tschentscher
,
I.
Vartaniants
,
H.
Wabnitz
,
H.
Weise
,
R.
Wichmann
,
K.
Witte
,
A.
Wolf
,
M.
Wulff
, and
M.
Yurkov
, “
The European x-ray free-electron laser: Technical design report
,” DESY Report No. 2006-097,
DESY
,
Hamburg, Germany
,
2006
.
2.
M.
Altarelli
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
269
,
2845
(
2011
).
3.
T.
Tschentscher
,
C.
Bressler
,
J.
Grünert
,
A.
Madsen
,
A.
Mancuso
,
M.
Meyer
,
A.
Scherz
,
H.
Sinn
, and
U.
Zastrau
,
Appl. Sci.
7
,
592
(
2017
).
4.
E. L.
Saldin
,
E. V.
Schneidmiller
, and
M. V.
Yurkov
,
The Physics of Free-Electron Lasers
, 1st ed. (
Springer
,
Berlin Germany
,
1999
).
5.
C.
Pellegrini
,
A.
Marinelli
, and
S.
Reiche
,
Rev. Mod. Phys.
88
,
015006
(
2016
).
6.
A. M.
Kondratenko
and
E. L.
Saldin
,
Part. Accel.
10
,
207
(
1980
).
7.
R.
Bonifacio
,
C.
Pellegrini
, and
L. M.
Narducci
,
Opt. Commun.
50
,
373
(
1984
).
8.
H. J.
Kirkwood
,
R.
Letrun
,
T.
Tanikawa
,
J.
Liu
,
M.
Nakatsutsumi
,
M.
Emons
,
T.
Jezynski
,
G.
Palmer
,
M.
Lederer
,
R.
Bean
,
J.
Buck
,
S.
Di Dio Cafisio
,
R.
Graceffa
,
J.
Grünert
,
S.
Göde
,
H.
Höppner
,
Y.
Kim
,
Z.
Konopkova
,
G.
Mills
,
M.
Makita
,
A.
Pelka
,
T. R.
Preston
,
M.
Sikorski
,
C. M. S.
Takem
,
K.
Giewekemeyer
,
M.
Chollet
,
P.
Vagovic
,
H. N.
Chapman
,
A. P.
Mancuso
, and
T.
Sato
,
Opt. Lett.
44
,
1650
(
2019
).
9.
T.
sato
,
R.
Letrun
,
H. J.
Kirkwood
,
J.
Liu
,
P.
Vagovič
,
G.
Mills
,
Y.
Kim
,
C. M. S.
Takem
,
M.
Planas
,
M.
Emons
,
T.
Jezynski
,
G.
Palmer
,
M.
Lederer
,
S.
Schulz
,
J.
Mueller
,
H.
Schlarb
,
A.
Silenzi
,
G.
Giovanetti
,
A.
Parenti
,
M.
Bergemann
,
T.
Michelat
,
J.
Szuba
,
J.
Grünert
,
H. N.
Chapman
, and
A. P.
Mancuso
,
Optica
7
,
716
717
(
2020
).
10.
P.
Emma
,
R.
Akre
,
J.
Arthur
,
R.
Bionta
,
C.
Bostedt
,
J.
Bozek
,
A.
Brachmann
,
P.
Bucksbaum
,
R.
Coffee
,
F.-J.
Decker
,
Y.
Ding
,
D.
Dowell
,
S.
Edstrom
,
A.
Fisher
,
J.
Frisch
,
S.
Gilevich
,
J.
Hastings
,
G.
Hays
,
P.
Hering
,
Z.
Huang
,
R.
Iverson
,
H.
Loos
,
M.
Messerschmidt
,
A.
Miahnahri
,
S.
Moeller
,
H.-D.
Nuhn
,
G.
Pile
,
D.
Ratner
,
J.
Rzepiela
,
D.
Schultz
,
T.
Smith
,
P.
Stefan
,
H.
Tompkins
,
J.
Turner
,
J.
Welch
,
W.
White
,
J.
Wu
,
G.
Yocky
, and
J.
Galayda
,
Nat. Photonics
4
,
641
(
2010
).
11.
T.
Ishikawa
,
H.
Aoyagi
,
T.
Asaka
,
Y.
Asano
,
N.
Azumi
,
T.
Bizen
,
H.
Ego
,
K.
Fukami
,
T.
Fukui
,
Y.
Furukawa
 et al,
Nat. Photonics
6
,
540
(
2012
).
12.
I. S.
Ko
,
H. S.
Kang
,
H.
Heo
,
C.
Kim
,
G.
Kim
,
C. K.
Min
,
H.
Yang
,
S. Y.
Baek
,
H. J.
Choi
,
G.
Mun
 et al,
Appl. Sci.
7
,
479
(
2017
).
13.
B. D.
Patterson
,
R.
Abela
,
H.-H.
Braun
,
U.
Flechsig
,
R.
Ganter
,
Y.
Kim
,
E.
Kirk
,
A.
Oppelt
,
M.
Pedrozzi
,
S.
Reiche
,
L.
Rivkin
,
T.
Schmidt
,
B.
Schmitt
,
V. N.
Strocov
,
S.
Tsujino
, and
A. F.
Wrulich
,
New J. Phys.
12
,
035012
(
2010
).
14.
W.
Decking
 et al,
Nat. Photonics
14
,
391
(
2020
).
15.
J.
Grünert
, “
Framework for x-ray photon diagnostics at the European XFEL
,” XFEL.EU TR-2012-003,
2012
.
16.
J.
Grünert
,
M. P.
Carbonell
,
F.
Dietrich
,
T.
Falk
,
W.
Freund
,
A.
Koch
,
N.
Kujala
,
J.
Laksman
,
J.
Liu
,
T.
Maltezopoulos
,
K.
Tiedtke
,
U. F.
Jastrow
,
A.
Sorokin
,
E.
Syresin
,
A.
Grebentsov
, and
O.
Brovko
,
J. Synchrotron Radiat.
26
,
1422
(
2019
).
17.
J.
Grünert
,
A.
Koch
,
N.
Kujala
,
W.
Freund
,
M.
Planas
,
F.
Dietrich
,
J.
Buck
,
J.
Liu
,
H.
Sinn
,
M.
Dommach
, and
S.
Molodtsov
, in
Proceedings of the 37th International Free Electron Laser Conference (FEL 2015), WED03, 23–28 August 2015, Daejeon, South Korea
,
2015
.
18.
J.
Grünert
,
M. P.
Carbonell
,
F.
Dietrich
,
W.
Freund
,
A.
Koch
,
N.
Kujala
,
J.
Laksman
,
J.
Liu
, and
T.
Maltezopoulos
,
AIP Conf. Proc.
2054
,
030014
(
2019
).
19.
E. L.
Saldin
,
E. A.
Schneidmiller
, and
M. V.
Yurkov
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
407
,
291
(
1998
).
20.
Y.
Inubushi
,
I.
Inoue
,
J.
Kim
,
A.
Nishihara
,
S.
Matsuyama
,
H.
Yumoto
,
T.
Koyama
,
K.
Tono
,
H.
Ohashi
,
K.
Yamauchi
, and
M.
Yabashi
,
Appl. Sci.
7
,
584
(
2017
).
21.
M.
Yabashi
,
J. B.
Hastings
,
M. S.
Zolotorev
,
H.
Minura
,
H.
Yumoto
,
S.
Matsuyama
,
K.
Yamauchi
, and
T.
Ishikawa
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
084802
(
2006
).
22.
D.
Rich
,
D.
Zhu
,
J.
Turner
,
D.
Zhang
,
B.
Hill
, and
Y.
Feng
,
J. Synchrotron Radiat.
23
,
3
(
2016
).
23.
J.
Rehanek
,
M.
Makita
,
P.
Wiegand
,
P.
Heimgartner
,
C.
Pradervand
,
G.
Seniutinas
,
U.
Flechsig
,
V.
Thominet
,
C. W.
Schneider
,
A. R.
Fernandez
,
C.
David
,
L.
Patthey
, and
P.
Juranić
,
J. Instrum.
12
,
P05024
(
2017
).
24.
J.
Rehanek
,
N.
Kujala
,
J.
Grünert
, “
Technical design report
,” XFEL.EU Alfresco Doc-ID:13779761,
2014
.
25.
J.
Rehanek
,
F.
Schäfers
,
A.
Erko
,
W.
Freund
,
J.
Grünert
,
C.
Ozkan
, and
S.
Molodtsov
,
Proc. SPIE
8141
,
814109
(
2011
).
26.
D.
Zhu
,
M.
Cammarata
,
J. M.
Feldkamp
,
D. M.
Fritz
,
J. B.
Hastings
,
S.
Lee
,
H. T.
Lemke
,
A.
Robert
,
J. L.
Turner
, and
Y.
Feng
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
034103
(
2012
).
27.
C.
David
,
S.
Gorelick
,
S.
Rutishauser
,
J.
Krzywinski
,
J.
Vila-Comamala
,
V. A.
Guzenko
,
O.
Bunk
,
E.
Färm
,
M.
Ritala
,
M.
Cammarata
,
D. M.
Fritz
,
R.
Barrett
,
L.
Samoylova
,
J.
Grünert
, and
H.
Sinn
,
Sci. Rep.
1
,
57
(
2011
).
28.
P.
Karvinen
,
S.
Rutishauser
,
A.
Mozzanica
,
D.
Greiffenberg
,
P. N.
Juranić
,
A.
Menzel
,
A.
Lutman
,
J.
Krzywinski
,
D. M.
Fritz
,
H. T.
Lemke
,
M.
Cammarata
, and
C.
David
,
Opt. Lett.
37
,
5073
(
2012
).
29.
M.
Makita
,
P.
Karvinen
,
D.
Zhu
,
P. N.
Juranic
,
J.
Grünert
,
S.
Cartier
,
J. H.
Jungmann-Smith
,
H. T.
Lemke
,
A.
Mozzanica
,
S.
Nelson
,
L.
Patthey
,
M.
Sikorski
,
S.
Song
,
Y.
Feng
, and
C.
David
,
Optica
2
,
912
(
2015
).
30.
M.
Makita
,
P.
Karvinen
,
V. A.
Guzenko
,
N.
Kujala
,
P.
Vagovic
, and
C.
David
,
Microelectron. Eng.
176
,
75
(
2017
).
31.
N.
Kujala
,
M.
Makita
,
J.
Liu
,
A.
Zozulya
,
M.
Sprung
,
C.
David
, and
J.
Grünert
,
J. Synchrotron Radiat.
26
,
708
(
2019
).
32.
H.
Sinn
,
J.
Gaudin
,
L.
Samoylova
,
A.
Trapp
, and
G.
Galasso
, “
Conceptual design report: X-ray optics and beam transport
,” XFEL.EU, TR-2011-002,
2011
.
33.
S. N.
Polyakov
,
V. N.
Denisov
,
N. V.
Kuzmin
,
M. S.
Kuznetsov
,
S. Y.
Martyushov
,
S. A.
Nosukhin
,
S. A.
Terentiev
, and
V. D.
Blank
,
Diamond Relat. Mater.
20
,
726
728
(
2011
).
34.
U.
Boesenberg
,
L.
Samoylova
,
T.
Roth
,
D.
Zhu
,
S.
Terentyev
,
M.
Vannoni
,
Y.
Feng
,
T. B.
van Driel
,
S.
Song
,
V.
Blank
,
H.
Sinn
,
A.
Robert
, and
A.
Madsen
,
Opt. Express
25
,
2852
(
2017
).
35.
L.
Samoylova
,
U.
Boesenberg
,
A.
Chumakov
,
V.
Kaganer
,
I.
Petrov
,
T.
Roth
,
R.
Rüffer
,
H.
Sinn
,
S.
Terentyev
, and
A.
Madsen
,
J. Synchrotron Radiat.
26
,
1069
(
2019
).
36.
S.
Terentyev
,
V.
Blank
,
T.
Kolodziej
, and
Y.
Shvyd’ko
,
Rev. Sci. Instrum.
87
,
125117
(
2016
).
37.
A.
Mozzanica
,
A.
Bergamaschi
,
R.
Dinapoli
,
H.
Graafsma
,
D.
Greiffenberg
,
B.
Henrich
,
I.
Johnson
,
M.
Lohmann
,
R.
Valeria
,
B.
Schmitt
, and
S.
Xintian
,
J. Instrum.
7
,
C01019
(
2012
).
38.
T.
Maltezopoulos
,
F.
Dietrich
,
W.
Freund
,
U. F.
Jastrow
,
A.
Koch
,
J.
Laksman
,
J.
Liu
,
M.
Planas
,
A. A.
Sorokin
,
K.
Tiedtke
, and
J.
Grünert
,
J. Synchrotron Radiat.
26
,
1045
(
2019
).
39.
A. A.
Sorokin
,
Y.
Bican
,
S.
Bonfigt
,
M.
Brachmanski
,
M.
Braune
,
U. F.
Jastrow
,
A.
Gottwald
,
H.
Kaser
,
M.
Richter
, and
K.
Tiedtke
,
J. Synchrotron Radiat.
26
,
1092
(
2019
).
You do not currently have access to this content.