方法論記事

バックミンスターフラーレンのナノ結晶のフェムト秒回折実験中長距離電子相関の測定

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DOI:

10.3791/56296

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2017年8月22日

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1ARC Centre of Excellence in Advanced Molecular Imaging, School of Physics, University of Melbourne, 2Australian Research Council (ARC) Centre of Excellence in Advanced Molecular Imaging, Department of Chemistry and Physics, La Trobe Institute for Molecular Sciences, La Trobe University, 3Department of Physics, Imperial College London, 4Florey Institute of Neuroscience and Mental Health, 5Science and Engineering Faculty, Queensland University of Technology, 6Swinburne University of Technology, 7Department of Engineering Science, University of Oxford, 8Brookhaven National Laboratory, 9Linac Coherent Light Source, SLAC National Accelerator Laboratory, 10BioXFEL Science and Technology Center, 11Laboratory of Molecular Biophysics, Department of Cell and Molecular Biology, Uppsala University, 12Australian Synchrotron

この記事について

サマリー

X 線の強い、フェムト秒パルスによるバックミンスターフラーレン (C60) のナノ結晶における電子傷害をプローブする実験について述べる.実験は、驚いたことに、確率論的であることではなく、x 線照射 C60のダイナミクスの相関が高まる、電子結晶1内の単位セルの数百に及ぶ発見。

要約

強烈な x 線パルスが物質と相互作用の正確な詳細は、フェムト秒 x 線自由電子レーザー (XFEL) 実験の結果を解釈しようとする研究者に強い関心の話題です。実験観察数の増加は、核の運動は無視できますが、十分な入射パルス期間短いを与え電子運動できません無視することを示しています。現在、広く受け入れられているモデルは、電子は、パルスとの相互作用によって駆動ダイナミクスを受けることが彼らの動き主考えられる 'random' と仮定します。これは連続したバック グラウンド信号として扱われる電子の動きからたぶん支離滅裂な貢献が可能になる、したがって無視します。我々 の実験の当初の目的は、x 線のための個々 のブラッグ ピークの強度の変化を正確に測定する結晶 C60モデル システムで電子損傷を誘発でした。この予想に反して最高の x 線強度で C60における電子ダイナミクスいた相関式で実際には、十分に長距離にわたってブラッグ反射の位置が大幅に変更を見ました。本稿は、メソッドおよびリニアック コヒーレント光ソース (ローレンスリバモア) オーストラリアのシンクロトロン (AS) と結晶学的アプローチのデータを分析するために使用の両方を行ったこれらの実験のために使用されるプロトコルの詳細について説明します。

概要

X 線自由電子レーザー (Xfel) の主要な目的の 1 つは、高スループット、高分解能分子イメージングと力学アプローチを開発します。構造生物学は原子スケールについては、第 3 世代のシンクロトロンで分解能 x 線結晶構造解析技術を下げるため伝統的に制限されたに依存します。結晶、多量の放射線損傷を引き起こす長い露光時間は、伝統的な技術を使用して達成される解像度を大きく影響します。スナップショット回折イメージング方式2,3,4 Xfel で採用を含むどちらかの固定ターゲット サンプル (これはビームのフォーカスに変換されます) を打つ短パルス x 線の回折像を収集または、サンプル注入ビームのパス。

XFEL パルス サンプル相互作用は最終的に深刻な放射線被害の発症のためのサンプルを破棄します。回折像は、この破壊サブ 100 fs パルス持続時間のための発症前に収集されます。ナノ結晶の高分解能構造を決定する能力急速に定着しつつあります。しかし、イメージングの実験条件下でフェムト秒時間スケールで発生する動的過程の原子物理学をより深く洞察を提供、ナノ結晶とその回折パターン5,6 の巨視的効果を持つことができます。 ,7。

スナップショット回折像を記録するフェムト秒時間スケールで壊滅的な被害を回避しながら XFEL パルスの電力密度は、サンプルの電子特性を変更するのには十分に高いかもしれない x 線7,8,9をやり取りします。強烈なコヒーレント x 線パルスが物質と相互作用の物理学の調査のみ本質的な科学的な興味の対象ではないが、探索するレーザー光パルスが使用される任意の実験の解釈はとても重要になります構造体です。

X 線イメージング実験単一分子、小さなクラスター、または少数の単位細胞から成るナノ結晶に対して、摂動解析を示します、1 つは散乱信号8の明白なコヒーレンスの両方削減を遵守すべきstructureless 背景信号9electrodynamical プロセスの結果としての成長。Electrodynamical プロセスによるデコヒーレンスする程度を評価しようとすると、この実験は、粉末ナノ結晶 C60 XFEL の短いパルスとの相互作用のために発生します。

この記事では、C60ナノ結晶から非常に発注された過渡電子構造が XFEL パルス1との相互作用による観測が実験プロシージャに関する詳細情報を提供します。これらの条件下で生成される回折パターンが大幅に異なることが分かったとき同じサンプルが低消費電力で点灯しているが、そうでなければ同じ XFEL はパルス、または同じ光子エネルギーの放射光を使用する場合。この違いは、低消費電力と放射光回折像に対応する 2 つの回折プロファイルには無いブラッグ ピークの存在によって示されます。我々 の分析とモデル当てはめアプローチ、XFEL パルス ナノ結晶複合体の相互作用による動的電子歪みの存在を確認するために使用を示します。

プロトコル

1 です C 60 粉末試料

  1. 適用ポリアミド フィルム、固定 1 mm 厚のアルミ材サンプル ホルダー ( 図 1 a に示されている設計) の 1 つの側面に、厚さ 10 μ m.
    2. 。
  2. は、杵と約 100 μ g の少量のモルタルを使用して C 60 をつぶします。試料のモルタルに添加量は、重要ではありませんが、あなたはドンが杵の先端の高さを超えないことを確認 ' t 危険それを粉砕ではなく粉末を圧縮します。これは細かい結晶が生成されることが保証されます。このプロセスを複数回繰り返して、データ収集に必要な量を取得します
    。 注意: 調製とナノ材料の処理のみ実行してくださいバイオ セーフティ キャビネット内で
    3. 。
  3. は小さいヘラを使ってモルタルから直接粉砕した C 60 パウダーを取り外して粉に直面してサンプル ホルダーにバックアップ ポリイミド フィルムの接着面に試料ホルダーの細胞にできるだけ薄く分散します。
      均一な単層を正常に作成する
    1. 粉体試料ホルダーの 2 番目のポリイミド フィルム (も 10 μ m 厚) の接着面を直接置き、やってのけます。過剰 C 60 粉末テープの 2 番目の作品に固執して、試料ホルダーから削除することができます
      2. 。
    2. 繰り返して、テープをないより多くの粉末がやってきて、C 60 粉末の単分子膜は個々 のサンプル ホルダー細胞 ( 図 1b 参照) に均等に広がる表示されます
      3. 。
  4. 少なくとも 1 つウィンドウまま空白 (抽出) を記録するポリイミド背景を有効にします
    5. 。
  5. ビームラインのサンプル室に輸送用のプラスチック容器に試料ホルダーのシールです
    6. 。

2。予備のオーストラリアのシンクロトロン研究

  1. 使用 C 60 オーストラリアのシンクロトロンで MX2 ビームライン粉末回折 1.1 1.5 の手順のように準備します
    2. 。
  2. 12.905 の入射エネルギーを要求 keV (0.9607 Å)、梁サイズは 30 x 7 um
    3. 。
  3. 標準結晶ピンの高解像度データを収集するを有効にする、検出器から約 625 mm の距離で角度計の x 線ビームに垂直上 C 60 サンプル ホルダーをマウントします
    4. 。
  4. 室温粉末回折データを確保するための位置のうち低温ノズルを収集に移動します
    5. 。
  5. MX2 ビームラインをコントロールするブル氷 10 ソフトウェア プログラムを開きます
    6. 。
  6. プレス、' 開始 '] ボタンをクリックすると、データ収集を開始します
    7. 。
  7. (の 2.5 と 2.6 の手順を繰り返して) 異なる露光時間、テスト (検出器の端にうち強い回折リングによって特徴付けられる) イメージで粉体の十分なデータを収集するには飽和せず、信号のダイナミック レンジを最大化。検出器
    8. 。
  8. C 60 サンプル ウィンドウをスキャンし、同じサンプルから複数の画像を収集します
    9. 。

3。ビームライン セットアップの XFEL パラメーターを要求

  1. 要求最短の可能な脈拍の持続期間、ローレンスリバモアで利用できます (4 月 2012-32 fs 半値幅)、フラックスの重要な損失なし (' 高充電モード ') ローレンスリバモア コヒーレント x 線の実験 11 ビームラインのイメージング (CXI).
  2. 10 keV (1.24 Å) 入射 x 線エネルギーの使用を要求します
    3. 。
  3. 要求の最小焦点サイズ 100 x 100 nm 2 順序 CXI カークパ トリック バエズ (KB) ミラーを使用して実質的に達成可能です
    。 注: は、CXI ビームラインの科学者によって実行はパルス持続時間とビームの焦点を調整します。上流にやり場のないビームのサイズ KB 光学系の約 800 x 800 μ m 2 ビーム径を中心に達成された後焦点だった約 300 x 300 nm 2 半値幅、XFEL によって作られた火口の光学顕微鏡検査によって決定されます。YAG 結晶におけるビーム
    4. 。
  4. サンプル - 79 mm ( 図 1 c) 検出器距離 (Z 距離) をリクエストします
    5. 。

4。記録、暗視野

  1. DAQ (データの取得) 12 コントロール パネルのパラメーターを記録するデータを設定: ビーム (オフ)、イベント (500) イベントの記録デバイス (コーネル SLAC ピクセル アレイ検出器 - CSPAD13) の数です
    2. 。
  2. プレス ' レコードを実行 ' スナップショット画像のデータセットを記録する準備ができたらします
    。 注: 記録されたすべてのイベントのデータセットと呼びます、' 実行 ' で保存されます。XTC ファイル形式
    3. 。

5。10% を記録事件 XFEL フラックス実行

  1. アルミニウム アッテネータ下流にコーネル SLAC ピクセル アレイ検出器 (CSPAD) 13 の正面とサンプルの適切な厚さの配置の要求損傷から保護します
    2. 。
  2. は、入射 x 線サンプルを押すことの 90% を減衰させる計算厚さでサンプルの上流、シリコン減衰器の挿入を要求します。パルス フラックスはビーム電流モニターから推定されることに注意してください。サンプルでのフルエンス 10 17 光子れて 2 x 8.3 と推定/パルスします
    3. 。
  3. CXI 真空チャンバー内で C 60 サンプルを含むサンプル ホルダーをマウントします
    4. 。
  4. は、真空に達するまで、試料室用真空ポンプの手順を実行するビームラインサイエンテイストを要求します。10 -7 Tor、室温に達するまで約 30 分
    5. 。
  5. DAQ コントロール パネルのパラメーターを記録するデータを設定する: (に)、イベント (1500) イベントの記録デバイス (CSPAD) ビーム
    6. 。
  6. をクリックして、' スキャン ' DAQ GUI ウィンドウの構成セクションでボタンします
    7. 。 ラスターを設定する
  7. ビームラインにパラメーターを提供する科学者はスキャンの実行のための手順です。開始が挙げられます (左上隅) を置き、終了 (x 軸) でスキャンの動きの方向、ステップ サイズ (600 μ m) 1 つのサンプル ホルダー携帯ウィンドウの位置 (右下隅)。これらのパラメーターは、1 つのセルのウィンドウを使用して ( 図 1 に示すように、) セルのウィンドウの 3 つ以上の行の x 方向 20 スキャンを許可します
    8. 。
  8. プレス ' 適用 ' 正しい値が入力されている場合
    9. 。
  9. パルス繰り返し周波数を 1 hz 注に設定するビームラインの科学者の要求: ローレンスリバモアでパルス繰り返し周波数は 120 Hz 固定ターゲット スキャン モードで 14、低いパルス繰り返しレートが避けるために必要な既に前のショットによって損傷されているサンプルを測定の可能性。注意: アルミニウム サンプル フレームと XFEL の相互作用は、彩度のリスクをもたらすため、被害 CSPAD とそのケアは、フレームを避けるために取られなければならない
    10. 。
  10. プレス ' レコードを実行 ' XFEL スナップショット粉末回折データセットを記録します
    11. 。
  11. データは、ターミナル ウィンドウ内に記録されているファイルのディレクトリに移動ローレンスリバモア 12、利用可能なコンピューティング環境を使用しています
    12. 。
  12. コマンドを入力 ' xtcexplorer/パス/ファイル名 ' XTC のファイル エクスプ ローラーの GUI を開くし、実行に記録されている画像を表示します
    13. 。
  13. チェック画像可能な検出器の彩度は、通常約 1,4000 ADUs 13 で発生します。検出器は、検出器で彩度アルミニウム減衰の兆候を示している場合は、増加する必要があります。この場合、検出器でアルミニウム アッテネータの複数の層を要求し、5.6-5.12 ラスター スキャンの手順は、次のサンプル ホルダー セル ウィンドウに設定を繰り返します。アルミニウム 100 & #1 の層81; メートルの厚さ、このデータセットを用いて、CSPAD の中央の 4 つのモジュールをカバーします
    14. 。

6。100% 記録 XFEL フラックス実行

  1. 外側の 4 つのモジュールで、CSPAD と 100 μ m 厚の減衰器は薄く中心部の 4 つのモジュール経由で厚いアルミニウム アッテネータ (1,000 μ m) の挿入を要求します
    2. 。
  2. は、サンプルをヒットする利用可能な x 線フラックスの 100% を許可するシリコン アッテネータの削除を要求します。ピーク減衰していない事件のピーク フラックス推定 7.5 × 10 11 光子/パルス (サンプルで約 8.3 × 1018 光子のフルエンスを/mm 2/パルス与える).
  3. 5.5-5.12 新しいサンプル ホルダー携帯ウィンドウ上の回折データセットを記録する手順を繰り返します
    4. 。
  4. 手順を繰り返します 5.13 検出器の飽和状態を監視し、決定するかどうか十分なブラッグ粉末回折リングまたはブラッグ スポット (検出器の端にアウト) が表示され、明確に定義します
    5. 。

7。XFEL データ後処理とピーク解析

ビームライン科学者から
  1. 取得校正ファイル (またはファイル パス) です
    。 メモ: データセット内の CSPAD データは、(1 つの画像フレームのスナップショットに対応する) イベント番号でグループ化された個々 の検出器パネルとして提供されます。校正ファイルは、全体の検出器に対応する再構成画像フレームを生成する適切な相対位置に検出器パネルを組み立て必要です
    2. 。
  2. Python スクリプト言語と校正ファイルを適用するを使用して、データセットを実行暗視野から暗視野フレーム (例 図 2 a に示すように) を抽出します。注: ソフトウェアおよび確立されたデータ処理パイプラインでこの実験の時に利用できなかった XFEL シリアル フェムト秒結晶構造解析実験は今利用可能な 15 , 16.
  3. 暗視野フレームの合計し、平均の暗視野画像を生成します。これを付けて、暗視
    4. 。
  4. (例作業領域は 図 2 b に示すように) 実行回折データセットから回折フレーム画像を抽出し、暗視野減算を適用します。(暗視野とバック グラウンドの補正) の後で個々 のフレームで生産された信号の低密度 図 2 c に示す
    5. 。
  5. 合計、暗視補正最終的な 2 D 粉末回折像 ( 図 d) を生成する回折像
    6. 。
  6. FIT2D 17 (GUI データ削減プログラム) の入力ファイルとして粉末回折像を読み込む
    7. 。
  7. (X 長さと y の長さ 1,800 ピクセル) のイメージの寸法を入力して ' 粉末回折 (2 D) '.
  8. クリック ' ビーム センター ' 回折リングのセンターを検索します。選択 4 点内側をほとんど回折リング (約等間隔)。プレス ' 続行 ' 回折パターン配列の中心を決定する
    9. 。
  9. をクリックして ' 統合 ' 回折像の方位角方向の統合を実行する
    10. 。
  10. ジオメトリ パラメーターを入力: ピクセル サイズ (110 ミクロン)、サンプル検出器距離 (79 mm)、波長 (1.24 å)、プレス 1 D 粉末回折パターンの生成を続けます
    11. 。
  11. 粉末回折パターンを強度値対散乱角 (2 θ) の配列を生成する .chi ファイルとしてエクスポートします
    12. 。
  12. は、適切なソフトウェアを使用してサンプルのバッキング ポリイミド ポリアミドからの散乱によって表される背景を決定します。注: この実験で作者 1 D 粉末回折パターンから背景差分を実行する PowderX 18 と RIETAN 19 を使いました
    13. 。
  13. データセット実行 XFEL ベンチレーション用に録音手順 7.1 7.9 を実行します
    14. 。
  14. 3 つの粉の回折線プロフィルの最高強度値を選択します
    15. 。
  15. のすべてのパターンで最も強烈なピーク時にプロファイルの正規化 – (111) のピーク
    16. 。
  16. プロット (プロトコル セクション 2 で説明)、オーストラリアのシンクロトロンから得られる 100% の束ケースと一般的なプロット ソフトウェア ( 図 3 を使用して同じ軸上 10% の束ケース 1 D x 線粉末回折パターンa から c).
  17. オプションのステップ: お好みの追加分析メソッドを実行することによって構造を特徴付けます。RIETAN 2000 (プロファイル関数として虎 20 , 21 の分割擬フォークト関数を組み込む) プログラムを使用してこの実験からの結晶学的データ分析を行ったブラッグ反射を分析します。ソフトウェア プリマ 22 10 %xfel 強度およびオーストラリアのシンクロトロン データセットに関する構造が室温 FCC C 60 公開された構造を一致することを確認する最大エントロピー解析を用いてください。.

結果

XFEL 粉末回折

100% のインシデント フラックス XFEL 粉末回折は加算よりも 2 の解像度を持つ完全なパウダー リングを生成する 1000 以上のシングル ショット測定の結果を示したデータ Å。

粉末回折プロファイル比較

回折リングのブラッグ ピークは識別され、最初の (最も強い) ピーク反射 (111) に縮小します。図 3は、3 つの異なる回折線プロファイルを示しています。3 つの回折パターンのライン プロファイルを比較すると、オーストラリアのシンクロトロンで記録された回折データは 10 %xfel データに見られるブラッグ プロファイルとほぼ同じことを遵守します。ブラッグ ピークがない彼らの位置の相対的な高さにいくつかの非常にマイナーな違いが観察されます。対照的に 100% 力 XFEL 粉末回折データのプロファイルは見ていない 10 %xfel データ プロファイルにも放射データ プロファイルに追加のピークの存在を明らかにします。表 1にこれらの余分な反射の場所が識別されます。これらの違いを解釈するために FCC C60結晶の室温から予想される回折のモデルに調整が建設されました。

X 線回折は室温60の FCC C 構造体のモデリング

結晶のブラッグ反射に関連付けられている粉末回折ピークの強度によって与えられる
figure-results-1(1)

どこfigure-results-2散乱ベクトル、 Kは、倍率figure-results-3多重度因子は、 Lpはローレンツ ・偏光因子W(figure-results-4) はピーク形状関数、 M数C60分子位置rmに位置する散乱ボリュームに含まれています。分子フォーム ファクター (MFF) figure-results-5 C60分子によって与えられるため、

figure-results-6(2)
ここでrjはj番目の炭素原子の分子とfc位置は、炭素原子の原子散乱因子です。

結晶の単位セルのパラメーターは、x 線粉末回折パターンのために許可された反射の位置を定義します。C60, x 線回折実験の実験的幾何学との知られている室温 FCC パラメーター (単位セルの長さ、単位胞内の分子の位置) を使用して期待される (ブラッグ反射) のピーク位置がすることができます。C60式 1 と式 2 の MFF を使用して計算します。

X 線回折法は 100 %xfel データのモデリング

32 fs の間に有意な歪み/変換または位置からの核の変位は発生せず、仮定すると、まずは、前の提案された入射パルスの期間研究23,24。むしろ、100 %xfel データで見られる強度の大幅な変更は代わりに C60分子の電子構造の動きによって運転されなければなりません。次の経由でC60分子のセントロ対称分布の変更、100 %xfel 回折データの実験的観測の機能を再現したモデルをについて説明します。

通常、中立的な状態、C60の結晶構造は、その電子密度の瞬時変動によって引き起こされる双極子力によって維持されます。ここで説明した実験条件の下でしかし、システムのイオン化は偏波による分子の電気双極子モーメントを誘導する強力な内部電場を生成します。以前 C60双極子の形成は単一分子と紫外線分光25などの光学技術を使用して小さなクラスターでのみ観察されています。ここでただし、観察電子密度の再分配、明らかに長距離と XFEL パルス持続時間を基準にして長寿命、結晶構造の x 線回折パターンでその効果が観察されます。

これはクーロン相互作用を介して近隣の双極子の配向と 10 fs 程度の時間スケールの基になる原子力構造から電子構造の分離の結果します。これはアライメント C60分子の対称性の結果に影響を与える充電 (図 4を参照)。MFFs の C60分子はもはや現実が、複雑な関数、分子の球状の喪失は散乱振幅への追加フェーズにつながる.

定期的にさまざまな MFF は結晶構造内の位置を基準にして、 m番目の分子の電子密度分布を転置した非対称分子の電荷分布の発生をモデルに使用されました。これは C60 MFF を修正、100 %xfel データに見られる強度プロファイルを複製することができました。

式 2 では、100 %xfel データで XFEL 誘起双極子から形成される長距離電子相関をキャプチャする散乱係数の式を構築するための基礎を提供します。これから偏光 C60分子用のアカウントに変更新しい MFF 関数を構築できます。

figure-results-7(3)

どこfigure-results-8は (式 2 によって与えられる) 理想的な C60分子の MFF とfigure-results-9XFEL 誘起双極子の分極ベクトルを定義します。制限内figure-results-10式 3 近似式 2、室温 10% 電源回折データを回復します。としてfigure-results-116/56296eq12.jpg"/> が増加し、分子の対称性が変更され、すべての可能な回折ピークの比率を変更し始めます。立方格子に分極分子の実際の分布は、結果として得られる回折パターンを影響します。

ときfigure-results-12C60分子の対称性が変更されて、すべての可能な回折ピークの比を低消費電力の回折パターンを基準にして変更し始めます。このモデルでは、値のデータに合うようにfigure-results-13の散乱角度 20 ° ≤ 2θ ≤ 30 ° の範囲でよく一致を示す探られたfigure-results-14。

この実験の目的は、炭素原子の K 殻のどの確率の光イオン化の程度に影響を及ぼす FCC C60ナノ結晶の回折強度を測定することだった。炭素原子の K 殻電子の光イオン化 (電子束縛エネルギー = 284 eV) 原子散乱因子、 fc高内の散乱振幅と見を変更figure-results-15散乱領域。C60分子結晶の格子配列内の炭素原子の K 殻の穴のブラッグ反射散乱振幅の変更が発生します。

我々 は次の基本的な仮定によると粉末ナノ結晶試料に適用の光束に依存して成長の等方性の背景を観察すると予想: 1) で支配的なプロセスである炭素 K 殻光イオン化、サンプル XFEL 相互作用、2) 個々 の炭素原子の光イオン化、クリスタル、3 の他の原子に相関性がない) 光電離された電子が非局在は、パルスの持続時間と連続したバック グラウンドにそれ故に貢献信号。

私たちが実際に実験で観測室内の温度、C60サンプルが 100% 電源 XFEL パルスを受けたときの FCC 結晶の反射を禁じられて強い、存在していた。非局在、ランダムな電離イベント説明できない禁制反射観測。

許可された FCC 反射の強度の大幅な削減に合わせこれらの禁制反射の外観を図 3に示します。これらの変更は、理想的な C60分子結晶格子の特定配向順序で説明できません。

当社分析1、相関、非空間電荷分布 C60分子 (式 4) によると (に見られる実験データに一致するモデル粉末回折プロファイルを生成する唯一の手段を証明しています。図 5)。比較については、図 6に同じ軸上、すべてのデータとモデルが一緒ですが、お互いに対して垂直方向にオフセット表示されます。

figure-results-16
図 1。XFEL 粉末回折サンプル セットアップとジオメトリ
(a)のサンプル ホルダーがスキャン モード C60結晶性粉末の固定ターゲットです。サンプル フレームは、アルミニウムから構成されます。示された測定は、おおよそミリメートルの単位サンプル細胞の大きさは、2 mm x 12 mm。 (b) C の写真60結晶性粉末 (暗く色のセルとして表示) のセルの 3 つのポリイミドのバックアップ サポート (として適用を適用試料ホルダーの上に黄色いフィルムは)。(c) C60実験の模式図。サンプルは、スナップショット方式のイメージングで x、y 方向にスキャンされたラスターです。K B ミラー XFEL ビーム スポット サイズは 300 nm x 300 nm サンプルに焦点を当てます。サンプルは、サンプル条件の安定化し、x 線散乱サンプル以外相互作用の可能性を最小限に抑えるのために真空に保持されます。着信の XFEL パルス ヒット サンプル ホルダー細胞で開催されたクリスタル パウダーと CSPAD 検出器では回折パターンを記録しました。サンプルを検出器距離 79 mm に. に設定して 1.5 Å の分解能を達成この図のビューの拡大版には、こちらをご覧ください。

figure-results-17
図 2。CSPAD
注意してくださいで白いスケール バー、)、b) と d) 40 mm を表します。
(a) CSPAD 暗視野。検出器の構成に移動して同心円状外側高角回折必要に応じて位置を変更ことができます 32 の長方形モジュール。(b)は、バック グラウンド ・暗視補正前に raw データ フレーム (右上の象限、合計 1000 以上のフレーム) をまとめた。(c)個々 の回折スナップショット回折信号の低密度を示します。(d)よく見せて回折プロファイル定義粉末回折リングで個々 のフレームに適用される背景信号差分 1500 回折フレームを合計することによって実行されます。

figure-results-18
図 3。粉末回折データ
(a)アジマスの平均 10 %xfel データセット、100 %xfel データセットとシンクロトロン データセットの回折パターン。FCC ブラッグ ピークの位置は、部屋の温度 C60 FCC 構造と一致して示されます。(b)インセット領域反射散乱角度 10⁰ ≤ 2θ

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ディスカッション

回折データ フレームの校正。

。XTC のファイル (これは完全な実行からのデータを含む) は、実験中に CSPAD モジュール (図 2 aに示すように) の幾何学的配置を定義する校正パラメーターを含まれています。個々 のモジュールに記録したデータの正しい配置は実行するたびに記録されているデータを構成する個々 の回折データ イメージを組み立てることが重要。実験を行った時に、適切なパラメーターを含む校正ファイルの場所が自動的にセットアップされていないと、手動計算チームが問題を修正する必要があります。スナップショットの実行のデータセットの設定と暗視野と背景によって実行の成否の確認の間の時間遅れがあったデータの余分な時間を費やして行う校正のため、データ セット内のイメージ フレームの合計を減算します。

結晶サイズ。

初期の XFEL のいくつかのスナップショットを実行、強い結晶のブラッグ反射がいくつかの画像フレームに見られました。これは十分に細かく粉砕されて C60サンプルのいくつか起因。結晶面が大きすぎることを示します粉砕したパウダーから光の反射を観察 (可視光の波長に対応 〜 400-700 nm)。粉は、粉砕の段階でこれらの反射を確認するか、強い場合単結晶のブラッグ反射がデータで見られる粉のさらに押しつぶされる必要があります。

この実験の結果の予想やの計画がないので、C60サンプルの成功した粉末回折データ収集のみ 2 つの極端な強度設定 (10% から 100% の束) で得られました。ビーム時施設は限られ、したがって任意のセットアップ、計算、またはサンプル エラーや問題を処理実験計画に大きな影響を与えます。2 つの最も広く区切られた点が優先された入射強度と中間点を任意の信頼性の高い統計情報収集に利用できる不十分な時間があった。そのため、この非定常相変化が発生する XFEL フラックスの面でトリガー ポイントを実験的評価することができませんでした。

予備的な研究。

XFEL で測定として同じ C60サンプルからオーストラリアのシンクロトロンで粉末回折データを収集します。シンクロトロンを日常的に使用してスクリーンは、適切な XFEL 対象26、および現在場合は積極的に 10 %xfel 強度で回折データが C60の基底状態 FCC 構造と一貫性のあることを確認します。

サンプルと検出器の減衰です。

上流にシリコンのアッテネータの調整を介してインシデントのフラックスの校正サンプルの不可欠だった、特に以来、検討されている効果が光強度に依存。インシデントのフラックスにマッチした、検出器では適したアルミニウム アッテネータの建設も重要でした。

ビームの焦点の場所のサンプルを押します。

XFEL で KB の焦点スポットの場所もサンプルに磁束密度は結晶中の双極子の形成を誘導するのに十分にある必要がありますので、報告された現象を観察が不可欠だった光軸に沿って細かいサンプル スキャンの実行し同様、光学顕微鏡を用いた YAG 結晶の XFEL 照射による作成クレーターの大きさを測定し、焦点平面の位置を決定するために使用された回折強度を見てします。

将来的に本作の入射強度とパルス持続時間の大きい数の実装が検討されます。この仕事は今後実験 XFEL ソースでナノ結晶の回折データの分析のための潜在的な影響。また、問題、Xfel 従来結晶内で対応できない新しい物理学を探求する可能性があることを強調 Xfel の基本的な相互作用に新たな洞察を提供します。

開示事項

著者が明らかに何もありません。

謝辞

著者は、高度な分子イメージング技術で優秀のオーストラリア研究協議会センターのサポートを認めます。本研究の一部は、ローレンスリバモア、米国エネルギー省、基本的なエネルギー科学の事務所を代表してスタンフォード大学が運営する国内ユーザー施設で実施されました。我々 は、国際放射光アクセス プログラムによって提供される旅行資金管理として、オーストラリア政府を認めます。さらに、この研究の一部をビクトリア、オーストラリアで MX1、MX2 ビームラインうけ。著者の貢献: 卒業計画およびプロジェクトのすべての実験的側面を管理するための責任があった。実験は、学士号を取得、ラッド、v. s. によって設計されていた、C.D.、G.J.W. (学士)、熱処理、カンとラッド元ローレンスリバモア提案を書いた。社殿、ラッド、R.A.R.、A.V.M.、ヨーロッパ、南西は、シミュレーション作業を実施しました。学士号を取得、ラッド、C.D.、対、M.W.M.J.、R.A.R.、チェルヌィ、f. H.、G.J.W.、s ちゃん、ミリメートル、M.M.S.、A.G.P.、C.T.P.、A.V.M.、カン、ローレンスリバモアで実験データを収集します。南西、V.A.S.、R.A.D オーストラリアのシンクロトロンでの実験データを収集します。C.T.P. および A.V.M. は、実験データの変換と分析をもたらした。、学士チェルヌィ、C.D.、E.B.、サンプル ホルダーのデザイン担当とテスト。R.A.R、卒業、西南、A.V.M と H.M.Q は、この原稿を書いた。熱処理とカン; によるコヒーレンス理論内の電子の損傷の定式化の実行します。ラッドは、C60 にこの理論を適用するアイデアを思い付いた。

材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
巨視的 99.5+ % 純粋な C60SES RESEARCH
粉砕に使用される乳棒と乳鉢シグマ アルドリッチ
サンプルホルダーの構築に使用されるアルミニウムシート
カプトンポリイミドフィルムデュポン
http://www.dupont.com/products-and-services/membranes-films/polyimide-films/brands/kapton-polyimide-film/ CXIビームラインSLAChttp://scripts.iucr.org/cgi-bin/paper?yi5003
安全メガネバイオ
セーフティ内閣
C60 粉末の。、

参考文献

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