Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

وضع بروتوكول تجريبي ل Femtosecond نير للأشعة فوق البنفسجية-شوف تجارب ضخ-التحقيق مع ليزر الإلكترون الحر

Published: October 23, 2018 doi: 10.3791/57055
Automatic Translation
1, 2,3, 2, 2, 2
1J.R. Macdonald Laboratory, Department of Physics, Kansas State University, 2Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, 3European XFEL GmbH

Summary

ويصف هذا البروتوكول على الخطوات الأساسية لتنفيذ وتحليل تجارب التحقيق مضخة الجمع بين ليزر femtosecond ضوئية مع ليزر الإلكترون الحر من أجل دراسة التفاعلات الكيميائية الضوئية فائق السرعة في جزيئات الطور الغازي.

Abstract

ويصف هذا البروتوكول الخطوات الرئيسية في أداء وتحليل تجارب ضخ-مسبار femtosecond التي تجمع بين ليزر femtosecond ضوئية مع ليزر الإلكترون الحر. وهذا يتضمن أساليب التداخل المكاني والزماني بين نبضات الليزر الضوئية والالكترون الحر خلال التجربة، فضلا عن الجوانب الهامة لتحليل البيانات، مثل تصحيحات لوصول الوقت رجفان، التي ضرورية لإنشاء الحصول على مجموعات بيانات عالية الجودة مضخة-التحقيق مع أفضل قرار ممكن الزمانية. وأثبتت هذه الأساليب لتجربة نموذجية يتم في ليزر الإلكترون الحر فلاش (هامبورغ ليزر الإلكترون الحر) من أجل دراسة الكيمياء الضوئية فائق السرعة في جزيئات الطور الغازي عن طريق التصوير أيون الخريطة بسرعة. ومع ذلك، معظم الاستراتيجيات تنطبق أيضا على تجارب مضخة-التحقيق مماثلة باستخدام أهداف أخرى أو غيرها من التقنيات التجريبية.

Introduction

توافر فوق البنفسجية المتطرفة قصيرة ومكثفة (شوف) ونبضات الأشعة السينية من ليزر الإلكترون الحر (فيلس)1،2 فتحت فرصاً جديدة لتجارب ضخ-مسبار femtosecond استغلال الموقع-و العنصر-خصوصية الداخلية-شل صور-الاستيعاب عملية3،4،،من56. ويمكن استخدام مثل هذه التجارب، مثلاً، تهمة نقل والتحقيق في ديناميات الجزيئية العمليات في السوائل7 والطور الغازي جزيئات8،9،،من1011 , 12، وعن الملاحظات في الوقت الحقيقي لردود فعل الحفاز وفائق السرعة السطحية الكيمياء13،14 مع الأزمنة 100 femtoseconds أو أقل. إذا كان يتم إجراء تجربة مضخة-التحقيق عن طريق الجمع بين ليزر femtosecond ضوئية متزامنة مع FEL، مما كان الحال في جميع الأمثلة المذكورة أعلاه، قد غضب وقت وصول الجوهرية بين الليزر الضوئية والبقول FEL تقاس على أساس إطلاق النار بالنار وتصحيحها لفي تحليل البيانات من أجل تحقيق أفضل الأزمنة ممكنة.

ضمن تعاون كبير، كانت عدة تجارب التحقيق مضخة الجمع بين الليزر الضوئية مع ليزر الإلكترون الحر مؤخرا يؤديها9،10،11،12، سواء على فلاش FEL شوف15 وضعت مرافق17 FEL الأشعة السينية لكلس، ،16 وعلى بروتوكول تجريبي لأداء وتحليل هذه التجارب، التي ترد في ما يلي. ويتجلى الأسلوب لتجربة نموذجية يتم في ليزر الإلكترون الحر فلاش من أجل دراسة الكيمياء الضوئية فائق السرعة في جزيئات الطور الغازي عن طريق سرعة خريطة أيون التصوير11،12. ومع ذلك، معظم الاستراتيجيات التي تنطبق أيضا على تجارب مضخة-التحقيق مماثلة باستخدام أهداف أخرى أو غيرها من التقنيات التجريبية ويمكن تكييفها أيضا لغيرها من المرافق FEL. بينما بعض من الخطوات الفردية المعروضة هنا أو الاختلافات منه قد نوقشت بالفعل في الأدب18،،من1920، هذا البروتوكول يوفر وصفاً شاملا للخطوات الرئيسية، بما في ذلك بعض أن الاستفادة من التحسينات التقنية الأكثر حداثة في المزامنة وتوقيت اختبارات التشخيص، التي حسنت إلى حد كبير الاستقرار والقرار الزماني لمسبار مضخة تجارب12، 21.

البروتوكول التالي يفترض تحقيق مضخة نهاية-محطة، مثل هذا الصك المخيم في فلاش22، مجهزة أيون وقت طيران، تصوير زخم أيون أو مخطط سرعة التصوير مطياف أيون (معهد فرجينيا العسكري)؛ طائرة نفاثة الغاز مفرط أو الأسرع من الصوت؛ ومتزامنة بقرب من الأشعة تحت حمراء (الجرد) أو الأشعة فوق البنفسجية ليزر femtosecond (الأشعة فوق البنفسجية)، البقول التي يمكن أن تتداخل مع كولينيرلي أو قرب-كولينيرلي مع أشعة ليزر الإلكترون الحر، كما رسمت تخطيطياً في الشكل 1. وعلاوة على ذلك، مجموعة مناسبة من تشخيص أدوات مثل شاشة عرض حزمة القابلة للإزالة (على سبيل المثال. مضرب مغطاة بمسحوق Ce:YAG أو بلورة Ce:YAG رقيقة) في منطقة التفاعل والضوئي سريع حساسة لنبضات FEL والليزر، وحفنة مراقبة وقت وصول (BAM)23،24 أو "أداة توقيت" مطلوبة من25،،من2627 ، التي تندرج عادة في النهاية--محطة ضخ-التحقيق أو يوفرها مرفق FEL، إذا طلبت قبل التجربة. وأخيراً، تصحيح الرجفان النار بالنار يفترض أن البيانات التجريبية مسجل ويمكن الوصول إليها على أساس النار بالنار ومرتبط القياسات النار بالنار من غضب وقت وصول حفنة باستخدام فريدة من نوعها "معرف مجموعة" أو عن طريق آخر نظام مكافئة.

فلاش، من النظم المحددة التي تعتبر حاسمة بالنسبة لتجارب ضخ-التحقيق:

  • النشطة، وبصرى على جميع ردود الفعل واستقرار نظام الليزر مسبار مضخة مذبذب الليزر الرئيسية، التي تشمل متوازنة ضوئية عبر-تحولها أن تستقر المذبذب الإخراج الليزر مضخة-التحقيق في مذبذب الليزر الرئيسي، عبر تحولها ("تحولها الانجراف") لتصحيح للانجرافات بطيئة من مكبر للصوت الليزر فيما يتعلق ب مذبذب21.
  • مراقبي وقت وصول حفنة (BAMs) التي تقيس التباينات تسديده لإطلاق النار في وقت وصول حفنة إلكترون في المواقف المختلفة في مسرع فيما يتعلق بالشريحة الرئيسية الليزر مذبذب،من2324. ويمكن استخدامها نشط-ردود فعل حلقة لتحقيق الاستقرار في توقيت الإلكترون باقات فيما يتعلق مذبذب الليزر الرئيسي، وبالتالي تقليل الانجرافات بطيئة في وقت وصول. وعلاوة على ذلك، يقع أم مغلقة للتجربة (أم 4DBC3) يمكن استخدامها لتصحيح رجفان تسديده لإطلاق النار في تحليل البيانات، بالتفصيل في الخطوة 5، 1 من البروتوكول التجريبي.
  • مضخة-مسبار الليزر الانتصارات الكاميرا، التدابير التي التوقيت النسبي بين المضخة-التحقيق بالليزر الإخراج والإشعاع ثنائي قطب المتولدة عن باقة إلكترون في نهاية المسرع قبل أن يهتدي إلى تفريغ شعاع28.
  • الكاميرا التركيز، التي عدسة الصور الليزر "افتراضية" التركيز باستخدام الجزء من أشعة الليزر التي تتسرب من خلال مرآة تحول آخر وراء التركيز بغية رصد طفيلية الانجرافات المكانية بطيئة من الليزر الضوئية.

تتوفر في غيرها من المرافق FEL نظم مماثلة وذات أهمية حاسمة للقيام بتجربة ضخ موثوقة-تحقيق.

Protocol

تنبيه: قبل البدء في هذا الإجراء، من المهم جداً التعرف على جميع الإخطار المحتملة المتصلة بالتجربة. ويشمل الإجراء أدناه الليزر الفئة الرابعة والإشعاع XUV أو الأشعة السينية ومصادر عالية الفلطية، والغازات المضغوطة والمواد الكيميائية الضارة أو السامة. الرجاء استشارة جميع صحائف بيانات السلامة المادية ذات الصلة (MSDS) قبل الاستخدام ومتابعة جميع متطلبات السلامة التي كلف بها مرفق FEL والليزر.

1-إعداد

ملاحظة: قبل البدء التجربة، العديد من الخيارات التي يجب أن تتم، على سبيل المثال-، وفيما يتعلق بالخيار الأمثل لأطوال موجية مضخة والتحقيق والكثافات لهدف الفائدة والنوع المناسب من مطياف لقياس المطلوب مشاهدات (انظر، على سبيل المثال-، فانغ et al. عام 20144 ورودينكو et al. عام 20155). في ما يلي، هذه الجوانب التقنية ذات الصلة بالعمليات المحددة والأهداف التي يجب أن تدرس وتناقش لا، وأنه من المفترض أن المعلمات شعاع المناسبة FEL والليزر الضوئية للتجربة المزمعة قد حددت وإعداد وهو مطياف أيون مناسبة التركيب والتشغيل.

  1. المحاذاة ومشيراً إلى استقرار أشعة الليزر و FEL
    1. في بداية التجربة، رصد النار بالنار واستقرارها في الأجل الطويل تأشير FEL وأشعة الليزر الضوئية على شاشة عرض الحزمة القابلة للإزالة في منطقة التفاعل وتحسين الاستقرار في الإعداد ليزر وعملية لاسينج FEL ، إذا لزم الأمر.
      ملاحظة: لإجراء تجربة مسبار ضخ موثوقة، المهم أن FEL وأشعة الليزر الضوئية يتم محاذاتها على النحو الأمثل من خلال مسار كامل بيمليني/شعاع وأن القلاقل تأشير كل الحزم أصغر من حجم بقعة في التركيز. أحجام الليزر الضوئية المركزة وعوارض FEL هي عادة ما يقارب عدد قليل من بضع عشرات من ميكرومتر، حتى القرار المكانية لشعاع عرض الشاشة والبصريات والكاميرا التي تستخدم الصورة في هذه الشاشة (على سبيل المثال-مايكروون مسافات طويلة cope) يجب أن يكون عاليا بما يكفي لدقة تحديد موقف كل الحزم.
    2. تجنب أو التقليل من أي قطع من شعاع FEL بين التجربة والموقع حيث تقاس الطاقة نبض FEL توسيط الشعاع على جميع المرايا النقل وفتحات في بيمليني. أي فتحات يمكن كليب الشعاع عند شعاع مشيراً إلى التغييرات على أساس النار بالنار أو بواسطة الانجرافات بطيئا أثناء تفحص تأخير قد تنتقص من قدرة على تطبيع البيانات بشأن FEL نبض الطاقة.
    3. تحسين موقف jet الغاز ومطياف فيما يتعلق بموضع تركيز FEL وتركيز الليزر الضوئية في جميع الأبعاد المكانية الثلاثة. اعتماداً على تفاصيل برنامج الإعداد، قد يكون ذلك عن طريق تحريك الدائرة فراغ أو بتحريك المكونات الفردية، و/أو عن طريق تحريك موضع تركيز FEL وشعاع الليزر الضوئية.
  2. الأداء السليم لأدوات النظم وتشخيص الملاحظات
    التأكد من أن جميع أنظمة التغذية المرتدة اللازمة والتشخيص وأدوات الرصد ممكنة، يعمل بشكل صحيح، وكذلك – عند الاقتضاء – أن يتم تسجيل البيانات الخاصة بهم في دفق بيانات الجهاز FEL. في فلاش، وتشمل هذه التغذية المرتدة البصرية جميع واستقرار نظام الليزر مضخة-التحقيق؛ باقة وقت وصول المراقبين (BAMs)؛ مضخة-مسبار الليزر الانتصارات الكاميرا؛ والكاميرا التركيز الظاهري. انظر مقدمة للحصول على وصف أكثر تفصيلاً لهذه النظم.
    ملاحظة: من المستحسن بشدة أن ترصد باستمرار هذه النظم أثناء إجراء التجربة مضخة-التحقيق كي تكون على علم من المشاكل المحتملة، على سبيل المثال-، مع النظام الليزر، والتزامن، في أسرع وقت ممكن.

2-وضع التداخل المكاني بين FEL شعاع و "شعاع الليزر الضوئية"

  1. تداخل الحزم بصريا على شعاع Ce:YAG شاشة عرض في منطقة التفاعل
    1. تأكد من كاشف أيون (والالكترون) ويتم إيقاف تشغيل الجهد العالي على أقطاب مطياف أيون قبل المتابعة.
    2. تخفيض الطاقة نبض FEL وقوة الليزر الضوئية باستخدام مرشحات والمخففات المثبتة في بيمليني إلى أقل من 1% انتقال تجنبا لضرر شاشة عرض من عوارض مركزة.
    3. أدخل شعاع شاشة عرض في منطقة التفاعل. إذا كنت غير قادر على الكشف عن بقع شعاع، زيادة طفيفة كثافة.
      ملاحظة: اعتماداً على الهندسة التجريبية (تماما تربطها علاقة خطية متداخلة أو بالقرب-متداخلة، أي.، مع شعاع الليزر الضوئية الانحياز بزاوية صغيرة فيما يتعلق بشعاع FEL، على سبيل المثال. لتجنب فقدان الكثير من السلطة في حفرة حفر إينكوبلينج مرآة)، وقد يكون بالغ الأهمية أن الشاشة يقع بالضبط في موقف منطقة التفاعل، نظراً لتشريد بضعة ملليمترات صغيرة حتى يمكن أن يسبب اختلالها من الحزم في حالة الهندسة قرب متداخلة.
    4. كتلة الليزر الضوئية عن طريق إغلاق مصراع الليزر ووضع علامة على موضع الشعاع FEL على شاشة العرض عن طريق إنشاء "منطقة اهتمام (ROI)" باستخدام برنامج اقتناء بيانات الكاميرا.
    5. كتلة شعاع FEL عن طريق إغلاق مصراع FEL وتفقد موقع شعاع الليزر الضوئية على شاشة عرض. باستخدام التوجيه المناسب مرايا الليزر الضوئية، محاذاة شعاع الليزر التداخل مع موقف واضح من بقعة FEL.
      ملاحظة: لمعظم التجارب مضخة-التحقيق، وأنه مفيد لاستخدام حجم بقعة شعاع مضخة أكبر من حجم بقعة من شعاع التحقيق. وهذا يسهل العثور على التداخل المكاني جيدة ويجعل التجربة تقلبات تأشير أكثر قوة للمشاريع الصغيرة، وبالتالي تقليل احتمال سبر منطقة الفضاء حيث الهدف قد تم ولع لا نبض مضخة. بشكل عام، كما يضمن مضخة أكبر من مسبار بقعة الإثارة أكثر تجانساً.
    6. كرر الخطوتين 2.1.4 و 2.1.5 بضبط التداخل والتحقق من أن التداخل مستقر.
    7. إزالة الحزمة عرض الشاشة. ثم قم بتشغيل على أجهزة الكشف والفولتية العالية مطياف.
      ملاحظة: إذا كان التداخل البصري من الحزم على شاشة عرض في منطقة التفاعل لا تعطي نتائج مرضية، أي.، وإذا كان لا يمكن العثور على إشارة اللونين في الخطوات اللاحقة الموضحة في الخطوة 3-2 والتداخل المكاني بين الحزم ويمكن تعريف أكثر دقة باستخدام إشارة أيون، كما هو موضح في الخطوة 2، 2، إذا كان متوفراً أيون مطياف التصوير. كما يتم وصف هذا الإجراء في جونسون وآخرون 201019.
  2. تداخل الحزم باستخدام إشارة وقت الطيران أيون والصور أيون
    1. تتداخل في الطائرة للكشف عن
      1. تعيين الفولتية مطياف إلى "وضع التصوير المكاني"، أي.، مثل أن الصورة للكشف عن أيون صورة مكبرة مباشرة من منطقة التفاعل. تعتمد الإعدادات الجهد لهذا الوضع على مطياف محددة.
      2. اختر الصورة أيون تناظر أيون أصل جزيئية غير مجزأة أو استخدام هدفا الذري واختر دولة تهمة الأيونية التي تنتج في FEL والليزر الضوئية وحدها، على سبيل المثال. ح2س+ الأيونات من الغاز المتبقية داخل فراغ الغرفة. إذا لزم الأمر، الحد من كثافة FEL أو الليزر لإنتاج هذه دولة المسؤول. تجنب استخدام مستهدفة التي يتم تقديمها بواسطة شعاع الأسرع من الصوت، نظراً لأن سرعة شعاع قد تزوير الإجراءات.
      3. حظر استخدام مصراع الليزر الليزر الضوئية ووضع علامة على موضع ضرب من الأيونات التي تنتجها شعاع FEL.
      4. منع شعاع FEL استخدام مصراع FEL وتسجيل الموقف من نفس النوع أيون تنتجها شعاع الليزر الضوئية. باستخدام التوجيه المناسب مرايا الليزر الضوئية، محاذاة شعاع الليزر حتى ضرب أيون تداخل الوظائف فضلا عن ممكن مع الأيونات التي تنتجها شعاع FEL موقف ملحوظ.
      5. أجل تتداخل بؤر الحزم اثنين على طول اتجاه نشر شعاع، نقل التركيز عدسة الليزر حتى يتم توسيط تركيز الليزر في والمطياف.
      6. كرر الخطوتين 2.2.1.3 و 2.2.1.4 لضبط التداخل والتحقق من أن التداخل مستقر.
    2. التداخل في اتجاه وقت الطيران
      1. تعمل المطياف في "وقت الطيران وضع"، أي.، حيث أن توقيت الكشف عن أيون إشارة (أي.، الطيف وقت الطيران أيون) يمكن رصد الذبذبات سريعة أو جهاز الالتقاط الرقمي، الذي تم تشغيله من قبل المشغل الرئيسي FEL . تجنب التشغيل المطياف في الظروف وايلي-ماكلارين أن وقت الرحلة حساس للانطلاق على طول المحور مطياف.
      2. في الطيف وقت الطيران أيون، تحديد والتكبير والتصغير في ذروة المقابلة لايون نفسها المستخدمة في 2.2.1.2.
      3. حظر استخدام مصراع الليزر الليزر الضوئية وعلامة التحديد وسط ذروة وقت الطيران تنتجها شعاع FEL وحدها.
      4. كتلة شعاع FEL استخدام مصراع FEL وإيجاد وسط ذروة وقت الطيران نفسها التي تنتجها شعاع الليزر البصرية وحدها. باستخدام التوجيه المناسب مرايا الليزر الضوئية، ومحاذاة شعاع الليزر حتى ذروة وقت الطيران تنتجها شعاع الليزر الضوئية يتراكب تماما مع مركز ملحوظ من الذروة التي تنتجها شعاع FEL.
        ملاحظة: هذا يعمل فقط إذا كان زمن وصول نبضات الليزر الضوئية والبقول FEL ضمن ما يقرب النانوسيكند من بعضها البعض. إذا كنت في شك، نفذ الخطوة "توقيت الخام" الموضحة في الخطوة 3، 1 قبل القيام بهذا الإجراء التداخل المكاني.
      5. كرر الخطوتين 2.2.2.3 و 2.2.2.4 لضبط التداخل والتحقق من أن التداخل مستقر.

3. إنشاء التداخل الزمني بين نبضات FEL ونبضات الليزر الضوئية

  1. توقيت "الخام"
    ملاحظة: توقيت تقريبي بين نبضات FEL ونبضات الليزر الضوئية بدقة من بضع عشرات من بيكوسيكوندس يمكن تحديد استخدام الضوئي سريع متصل، عبر مسافة قصيرة كبل SMA، إلى "تحيز تي" مع بطارية الخامس 9 متصلة "في العاصمة" وأسيل سريعة (إيه وان زيرو غيغاهرتز) لوسكوبي، التي يتم تشغيلها بواسطة FEL المشغل الرئيسي. بشكل عام، لم يتم وضع صمام ثنائي مباشرة إلى أشعة الليزر و FEL منذ هذا يمكن أن تدمر صمام ثنائي. بدلاً من ذلك، عمودي المثبتة لشعاع FEL، ويستخدم شبكة منقولة إرسال كمية صغيرة من الفوتونات المتفرقة إلى صمام ثنائي.
    1. تخفيض الطاقة نبض FEL وقوة الليزر الضوئية باستخدام مرشحات والمخففات المثبتة في بيمليني إلى النقطة حيث لن تدمر الإشارة من الضوء المتناثرة الضوئي. نقطة انطلاق آمنة عادة قيمة إرسال من 1% (أي.، توهين 99 ٪).
    2. إدراج مش تشتت الشعاع. تحسين موقف الشبكة و FEL نبض ليزر والطاقة وقوة هذه أن كل شعاع وحدها تعطي إشارة واضحة، وأن كل الإشارات بنفس الارتفاع.
    3. حظر استخدام مصراع الليزر الليزر الضوئية، ومع أرقى قاعدة وقت متاح، حفظ تتبع إشارة على الذبذبات استخدام المتوسطات حوالي 100.
    4. كتلة شعاع FEL استخدام مصراع FEL وقارن التتبع الناتجة من إشارة الليزر مع الإشارة فل. تستخدم في المرحلة المناسبة من التأخير الليزر الضوئية، تحول وقت وصول نبض الليزر حتى ظهور إشارة الليزر يتم التحديد في موضع ظهور إشارة FEL.
    5. كرر الخطوات من 3.1.3 و 3.1.4 للتحقق من أن نبضات FEL والليزر قريبة من بعضها البعض في وقت ممكن استناداً إلى القرار الضوئي.
    6. إذا كان، نتيجة للإجراءات المذكورة أعلاه، تم نقل نبض الليزر في الوقت التي النانوسيكند أكثر من 1، كرر الخطوة 2.2.2 ("التداخل في اتجاه وقت الطيران") مع توقيت الليزر الجديدة.
  2. توقيت "جيد"
    ملاحظة: الوقت الدقيقT0، عندما البقول FEL والليزر المتراكبة بالضبط في الوقت المناسب، ويمكن الاطلاع على استخدام إشارة ثنائية لون (FEL + ليزر) أن يسلك كحد أقصى أو دالة "خطوة"-مثل الزيادة أو النقصان،e.g-، في الغلة أيون أو الطاقة الحركية لجزء معين من الأيونية. الأسلوب المناسب يعتمد على موجات FEL والليزر، وصف العديد من الأساليب التالية.
    1. T 0 تصميم شوف + نير البقول باستخدام غاز زينون
      ملاحظة: هذا الأسلوب مناسبة لنبضات الليزر 800 أو 400 نانومتر والبقول شوف عتبة Xe (4د) التأين في 67.5 eV.
      1. يخفف FEL والليزر الضوئية لتفادي تلف detector(s) أيون (والكترون) بمعدل عد مفرط بسبب امتصاص عالية المقاطع العرضية زينون.
      2. إدخال الغاز Xe في الدائرة عن طريق الطائرة النفاثة الغاز أو بتسرب ذلك إلى الفراغ من خلال صمام الإبرة. وفي الحالة الأخيرة، ضبط الضغط بين 1 × 10-7 و 1 × 10-6 [مبر].
      3. سجل أيون الطيف وقت الطيران. حظر استخدام مصراع الليزر الليزر وضبط الطاقة نبض FEL أن الطيف وقت الطيران أيون يهيمن على عمليات واحدة-فوتون، أي.، مثل أن يكون Xe2 + و Xe3 + قمم تهمة Xe أقوى الدول في الطيف وقت الطيران وارتفاع رسوم الدول غائبة (تقريبا). إذا لزم الأمر، ضبط الضغط Xe مثل كل القمم أيضا ضمن النطاق الديناميكي الكاشف ونظام الحصول على البيانات.
      4. كتلة FEL استخدام مصراع FEL وإلغاء حظر الليزر. ضبط قوة الليزر مثل نبضات الليزر تنتج معظمها Xe+ وسوى كمية صغيرة من Xe2 +.
      5. إلغاء حظر FEL وقم بتعيين التوقيت بين FEL والليزر مثل نبضات الليزر يصل ps حوالي 200 قبل FEL البقول (استناداً إلى قراءة التقريبي T0 تم الحصول عليها من توقيت "الخام" الطريقة الموضحة في الخطوة 3.1)-تسجيل الطيف وقت الطيران أيون وتحديد نسبة Xe2 + Xe3 + من منطقة قمم المقابلة في الطيف وقت الطيران.
      6. مجموعة البقول التوقيت بين FEL والليزر هذه أن نبضات الليزر يصل إلى حوالي 200 ps بعد FEL استناداً إلى ال تي0 تم الحصول عليها من طريقة توقيت "الخام". تسجيل الطيف وقت الطيران أيون Xe وتحديد نسبة Xe2 + Xe3 +. إذا كان التداخل المكاني بين نبضات FEL والليزر جيدة، وسوف تغير كثيرا من النسبة التي تم الحصول عليها في الخطوة 3.2.1.5، مع Xe3 + إشارة يجري الآن أقوى من أي وقت في خطوة 3.2.1.5، كما هو مبين في الشكل 2.
      7. تعيين توقيت الليزر في منتصف الطريق بين القيم في الخطوة 3.2.1.5 و 3.2.1.6.
      8. سجل أيون الطيف وقت الطيران وتحديد نسبة Xe2 + Xe3 +. إذا كانت النسبة مماثلة لتلك الموجودة في الخطوة 3.2.1.5، نبضات الليزر لا يزال الوصول قبل FEL البقول. إذا كانت النسبة مماثلة لتلك الموجودة في الخطوة 3.2.1.6، نبضات الليزر لا يزال الوصول بعد FEL البقول.
      9. إذا كانت نبضات الليزر لا تزال يصلون قبل البقول FEL (أي.، نسبة مماثلة للخطوة 3.2.1.5)، تعيين التوقيت نصف الطريق ما بين القيمة الحالية والقيمة في الخطوة 3.2.1.6)، تعيين خلاف ذلك نصف الطريق ما بين القيمة الحالية والقيمة في الخطوة 3.2.1.5).
      10. كرر 3.2.1.8 و 3.2.1.9 إلى موقف T0 وقد تم تضييق نطاق بدقة أفضل من 500 خ.
      11. إعداد مسح تأخير عبر منطقة +/-1 ملاحظة حول موقف T0 التقريبي في الخطوات من خ 50 (أو أصغر، اعتماداً على مدة نبض الجرد و FEL). تسجيل الطيف وقت الطيران، وتحديد نسبة Xe2 + Xe3 + لكل خطوة. سوف تسفر عن مركز "خطوة مهمة" في إشارة الموضع الدقيق من T0.
    2. تصميم0 ر لنبضات شوف + الجرد أو الأشعة فوق البنفسجية باستخدام الفصل3وأنا
      ملاحظة: هذا الأسلوب مناسبة لنبضات XUV فوق العتبة I(4d) التأين في eV ~ 57 وأما نبضات الليزر 266 نانومتر أو 800 نانومتر (400 نانومتر لم تختبر، بل ربما أمكن أيضا). يمكن أيضا إجراء باستخدام قوات التحالف3أنا بدلاً من الفصل3أنا.
      1. تخفف FEL والليزر الضوئية لتجنب إتلاف الكاشف بمعدل عد مفرط.
      2. يعرض الفصل3أنا الجزيئات في الدائرة عن طريق الطائرة النفاثة الغاز أو بتسرب ذلك إلى الفراغ من خلال صمام الإبرة. وفي الحالة الأخيرة، ضبط الضغط بين 1 × 10-7 و 1 × 10-6 [مبر]. إذا كان ضغط البخار CH3أنا عينة ليست كافية لتشكيل شعاع جزيئية، استخدم أنه كغاز الناقل.
      3. سجل أيون الطيف وقت الطيران. حظر استخدام مصراع الليزر الليزر وضبط الطاقة نبض FEL للطاقة المتاحة نبض أعلى.
      4. كتلة FEL استخدام مصراع FEL. عند استخدام نبضات 266 نانومتر، ضبط السلطة الليزر حيث أن الليزر تنتج CH3أنا+ الأيونات وكمية صغيرة من+ الأول والفصل3+. عند استخدام نبضات 800 نانومتر، ضبط السلطة الليزر الليزر تنتج كمية كبيرة من الفصل3أنا+وأنا+وأيونات CH3+ ، ولكن عدد قليل فقط من أيونات أكثر شدة.
      5. قم بتعيين التوقيت بين FEL والليزر مثل نبضات الليزر يصل إلى حوالي 200 ps قبل البقول FEL (استناداً إلى قراءة التقريبي T0 تم الحصول عليها من توقيت "الخام" الطريقة الموضحة في الخطوة 3، 1). سجل أيون الطيف وقت الطيران، أو عند استخدام مخطط سرعة التصوير مطياف (معهد فرجينيا العسكري)، صورة أيون أنا4 + تجزئة (للطاقات فوتون أدناه eV 600 وأنا3 + جزء يمكن أن تستخدم أيضا). ضبط الفولتية مطياف أن قمم وقت الطيران المقابلة لليود مشحونة بصورة منفردة وضرب الأجزاء واسعة (بسبب الطاقة الحركية الكبيرة)، أو عند استخدام مطياف معهد فرجينيا العسكري، حيث أن الأول4 + صورة أيون ويغطي معظم كاشف.
        1. في الطيف وقت الطيران أيون، ذروة المقابلة الأولى4 + جزء (فضلا عن قمم المقابلة للدول مقابل اليود أعلى) سوف يكون طفرة ضيقة في المنتصف (انظر الشكل 3 ألف). عند استخدام مطياف معهد فرجينيا العسكري، واحد أو اثنين (اعتماداً على القرار مطياف واتجاه الاستقطاب الليزر) سوف تظهر النقاط المضيئة الصغيرة القريبة من مركز أنا أيون الصورة4 + (انظر الشكل 3). إذا لم تظهر هذه الميزات، التوقيت أو المكانية التداخل غير صحيحة.
      6. قم بتعيين التوقيت بين FEL والليزر مثل نبضات الليزر يصل إلى حوالي 200 ps بعد الحصول على نبضات FEL استناداً إلى ر0 من الأسلوب توقيت "الخام". تسجيل الطيف وقت الطيران أيون أو الصورة أيون لانا4 + جزء. سوف تختفي المصطلحات الخاصة في وسط قمم TOF و spot(s) مشرق في وسط الصور معهد فرجينيا العسكري.
      7. تعيين الليزر توقيت نصف الطريق ما بين القيم الموجودة في الخطوة 3.2.2.5 و 3.2.2.6.
      8. سجل أيون الطيف وقت الطيران أو أيون الصورة4 + وتحديد إذا كانت المسامير أو spot(s) موجودة أم لا. إذا لم تكن موجودة، نبضات الليزر لا يزال الوصول قبل FEL البقول. إذا لم تكن كذلك، نبضات الليزر لا يزال الوصول بعد FEL البقول.
      9. إذا كان لا يزال يصلون نبضات الليزر قبل البقول FEL، تعيين توقيت تعيين نصف الطريق ما بين القيمة الحالية والقيمة في الخطوة 3.2.2.6، إلا أنه نصف الطريق ما بين القيمة الحالية والقيمة في الخطوة 3.2.2.5.
      10. كرر 3.2.2.8 و 3.2.2.9 إلى موقف T0 وقد تم تضييق نطاق بدقة أفضل من 500 خ.
      11. إعداد مسح تأخير عبر منطقة +/-1 ملاحظة حول موقف T0 التقريبي في الخطوات من 50 خ. تسجيل الطيف وقت الطيران، أو الصورة أيون للأول4 + جزء لكل خطوة. ارسم العائد سبايك أو النقاط المضيئة كدالة للتأخير. مركز "خطوة مهمة" في الإشارة على تأخير ~ 120-150 فسويث الاحترام إلى9، ر010.

4. صقل التداخل المكاني على إشارة ثنائية اللون

ملاحظة: أثناء الإجراء لإنشاء التداخل المكاني هو موضح في الخطوات 2.1 و 2.2 عادة ما تكون دقيقة بما يكفي لتكون قادرة على مراقبة إشارة اللونين هو موضح في الإجراء الخاص بإنشاء هذا التداخل الزمني (الخطوة 3)، يستحسن كثيرا ما ضبط التداخل المكاني في هذا إشارة اللونين قبل البدء بالتجربة الفعلية مضخة-التحقيق.

  1. من أجل صقل التداخل المكاني، بعناية ضبط المرايا تحديد التداخل المكاني وتعظيم وبالتالي Xe2 + Xe3 + نسبة إلى عند وصول نبضات الليزر تقريبا 1 ps بعد FEL البقول.
  2. بدلاً من ذلك، إذا كان يتم تنفيذ الإجراء التداخل الزمني مع3من الفصل الأول، تعظيم العائد لعنصر الطاقة المنخفضة في الأول4 + أجزاء عندما تصل نبضات الليزر تقريبا 1 ps قبل FEL البقول.
    ملاحظة: من الناحية المثالية، صقل تكرار هذا الإجراء هو استخدام إشارة ثنائية اللون في الجزيء الهدف الفعلي ومتى تم العثور على إشارة من هذا القبيل.

5-وقت الوصول في تصحيح الرجفان في تحليل البيانات

ملاحظة: من أجل تحقيق أفضل ممكن الأزمنة، قد البيانات طلقة واحدة تصويب لتقلبات وقت وصول تسديده لإطلاق النار الذي يقاس بباقة وقت وصول الشاشة (BAM) أو أداة توقيت، كما ورد، مثلاً، في سافيلييف et al. 12بحلول عام 2017.

  1. تصحيح الرجفان وقت الوصول استناداً إلى بيانات BAM
    ملاحظة: من أجل تحديد قيمة فريدة وعالمية ل T0، نفس الإجراء لتصحيح الرجفان وقت الوصول يجب أن يكون إجراء على البيانات التي يتحدد ر0 (على سبيل المثال-البيانات التي تم الحصول عليها في الخطوة 3، 2) والبيانات التجريبية الفعلية للفائدة. من أجل الوصف التالي، فمن المفترض أن تي0 تتحدد بقياس آثار وقت الطيران أيون Xe. ويمكن تطبيق البروتوكول مكافئ في الحالات الأخرى.
    1. مؤامرة القيم الكاميرا متواصلة وغضب توقيت الليزر والقيم أم كدالة لعدد الرصاص لمجمل بمسح مضخة-التحقيق من الفائدة. إذا كانت هناك طفرات كبيرة ومفاجئة من ملاحظة أكثر من 1، قد يكون هذا مؤشرا على فقدان قفل الليزر أو مشكلة فنية أخرى خلال هذا المسح الضوئي الخاصة. بعض البيانات الموجودة في تلك المنطقة قد لا تكون قابلة للتصحيح هو موضح في الإجراءات التالية، وقد يتم تجاهل.
    2. ارسم رسم بياني لقيم أم أم التي تقع مغلقة للتجربة (أم 4DBC3) لكل لقطة من تأخير الفحص المأخوذة في الخطوة 3.2.1.11.
    3. اختيار قيمة قريبة من مركز التوزيع وتعريفه كقيمة مرجعية أم0.
    4. لكل طلقة من التفحص التأخير، حساب التأخير دn, حيث n هو عدد الرصاص، كتصحيح
      دن = فن + (أمن – أم0) (1)
      حيث Pn هو موضع مرحلة التأخير و أمن قيمة أم نال بالرصاص. لاحظ أن القيم أم إيجابية أكثر يعني تأخير أكبر بين الليزر والنبض FEL، أي.، FEL وصوله إلى وقت لاحق.
    5. الفرز على أساس قيمتها تأخير تصحيح آثار وقت الطيران طلقة واحدة في حاويات مناسبة من التأخير وتحديد موضع مركز خطوة مهمة في Xe2 + Xe3 + نسبة، التي تعطي موقف المصحح تي0 .
    6. باستخدام نفس القيمة سوق بكارا للأسلحة0 كما هو الحال في الخطوة 5.1.4)، حساب التأخير المصوبة دن لكل طلقة من التفحص تأخير مع البيانات مضخة-التحقيق الفعلي لمصلحة استخدام مكافئ. (1).

Representative Results

إذا FEL ونبضات الليزر الضوئية المتراكبة مكانياً في منطقة التفاعل مطياف أيون، والتداخل الزمني، أي.، تأخير القيمة T0، التي تصل النبضات FEL والليزر بالضبط في نفس الوقت، ويمكن الاطلاع على عن طريق يتراوح التأخير بين نبضات FEL والجرد وتحليل نسبة Xe2 + إلى Xe3 + أيون العائد كدالة للتأخير، كما هو موضح أعلاه في القسم 3.2.1. عندما يصل نبض الجرد بعد نبض FEL (الذي يحتاج إلى طاقة فوتون 67.5 eV أو أعلى)، Xe هو زيادة أيون الغلة3 + بسبب التأين بعد من متحمس، يتواجد Xe2 + أيون التي يتم إنشاؤها أثناء الانحلال مثقب عملية بعد التأين الداخلية-شل Xe (4د)18، كما هو مبين في الشكل 2. التآمر نسبة Xe2 + إلى Xe3 + أيون العائد كدالة تأخير وبالتالي غلة دالة خطوة، التي يمكن تركيبها لاستخراج قيمة T0الدقيق.

دالة خطوة مماثلة يمكن الحصول عليها عن طريق يتراوح التأخير بين نبضات FEL والليزر وتحليل آثار وقت الطيران أيون أو أيون زخم الصور من أيونات اليود مشحونة، مثل الأول3 + ، أو4 +، التي تم إنشاؤها في تاين CH3 الأول، كما هو موضح أعلاه في الخطوة 3.2.2). وفي هذه الحالة، سوف تظهر مساهمة الطاقة المنخفضة ذروة إضافية في مركز الذري اليود مشحونة في الطيف وقت الطيران، أو كنقطة مضيئة في مركز الصور الزخم المناظرة، كما هو مبين في الشكل 3. الأيونات منخفض الطاقة يتم إنشاؤها عند CH3أنا أولاً يتم فصل الجزيئات بنبض الليزر وهو الجزء أيون ثم المتأين بعد9،نبض FEL10. يمكن هذا الأسلوب إذا كانت تستخدم نبضات الجرد أو الأشعة فوق البنفسجية للتجربة مضخة-التحقيق، ما دامت طاقة فوتون FEL أعلى من eV 57، وهي العتبة الداخلية-شل التأيند اليود 4 في الفصل3وأنا.

من أجل الصحيح لغضب في وقت وصول نسبي من البقول FEL فيما يتعلق بنبضات الليزر، النار بالنار البيانات المسجلة بمراقبة وقت وصول حفنة (BAM)، هو مبين في الشكل 4، يمكن استخدامها لفرز البيانات المسجلة مضخة-التحقيق في تحليل ما بعد، كما هو موضح أعلاه في القسم 5. هذا عادة ما يحسن الأزمنة والجودة الشاملة للبيانات مضخة-التحقيق إلى حد كبير، كما هو مبين في الشكل 4 ، وفي مزيد من التفاصيل، في سافيلييف et al. عام 201712.

Figure 1
رقم 1: الإعداد التجريبية. رسم توضيحي لإعداد تجربة الأشعة فوق البنفسجية-مضخة XUV-تحقيق في جزيئات الغاز-المرحلة التجريبية. الأشعة فوق البنفسجية (266 نانومتر) ويتم إنتاج شعاع الليزر كثالث متناسق لشعاع 800 نانومتر التيتانيوم: ياقوت (Ti:Sa) استخدام بلورات بورات الباريوم بيتا (بو) ومضغوط باستخدام ضاغط المنشور. كولينيرلي وهو يتداخل مع شعاع FEL شوف باستخدام مرآة حفر وركزت داخل شعاع غاز الأسرع من الصوت في مركز سرعة على الوجهين خريطة التصوير مطياف22،29. وتسجل توزيعات الزخم الأيونات والإلكترونات على طرفي نقيض من مطياف استخدام تجمع شاشة MCP/فوسفور متبوعاً بكاميرا CCD. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 2
رقم 2: الاعتماد على تأخير المحصول أيون Xe. Xe أيون وقت الطيران الطيف (العملية التشاورية المتعددة الأطراف decoupled إشارة مسجل من قبل جهاز الالتقاط رقمي سريع) في طاقة فوتون 83 eV ومع تقرير الجرد الوطني الليزر البقول ميكروثانية 1 القادمين قبل (تتبع أعلى، أسود) وبعد (تتبع السفلي، أحمر) البقول FEL. التغيير الذي طرأ Xe2 + Xe3 + نسبة واضحة للعيان. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 3
الشكل 3: الاعتماد على تأخير الغلة أيون اليود والزخم. (أ) التكبير في على4 + الذروة في الطيف وقت الطيران أيون CH3لقد سجلت في طاقة فوتون 727 eV ومع نبضات الليزر الأشعة فوق البنفسجية يصلون قبل (خط أحمر) وبعد (الخط الأسود) البقول FEL. الخط الأزرق والأخضر، على التوالي، إظهار الطيف وقت الطيران ل FEL والأشعة فوق البنفسجية بالليزر نبض وحدها. لقد تم تعديل هذا الرقم من بول وآخرون عام 201610. (ب) أيون الزخم صورة أنا3 + أيونات من الفصل3: لقد سجلت في طاقة فوتون 107 eV ومع الأشعة فوق البنفسجية بالليزر البقول يصلون قبل البقول FEL. (ج) نفس (ب)، ولكن مع نبضات الأشعة فوق البنفسجية قادمة بعد البقول FEL. ويبين مقياس اللون في (ب) و (ج) العائد أيون في وحدات التعسفي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 4
الشكل 4: غضب وقت وصول نسبي FEL البقول فيما يتعلق بنبضات الليزر الضوئية. (أ) النار بالنار باقة بيانات مراقبة وقت وصول (BAM) لجميع الطلقات FEL المسجلة أثناء تفحص تأخير مثالية. تم تعيين القيمة المرجعية أم0 يعني القيمة أم لهذا المسح. (ب) أيون العائد من الطاقة الحركية منخفضة أنا3 + الأيونات المنتجة في تجربة مضخة-مسبار الأشعة فوق البنفسجية-شوف على ديفلورويودوبينزيني قبل تصحيح الرجفان وصول تسديده لإطلاق النار. ويبين الخط الأحمر تناسب مربعات الصغرى لدالة التوزيع التراكمي (دالة الخطأ غاوس) للبيانات التجريبية. Σ المعلمة مناسباً مقياس للأزمنة مجموع التجربة مضخة-التحقيق. (ج) نفس الشيء كما هو الحال في (ب) ولكن مع الصور طلقة واحدة لجأت إلى صناديق تأخير جديد باستخدام بيانات BAM. أشرطة الخطأ تمثل واحدة من الانحراف المعياري. الشكل مقتبس من سافيلييف et al. عام 201712. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Discussion

نظراً لتعقيد الأجهزة التجريبية، تجارب ضخ-التحقيق مع ليزر الإلكترون الحر يتطلب مستوى عال من الخبرة والتجربة والحاجة حذراً جداً إعداد وإجراء مناقشات مفصلة مع العلمية الفرق التي تعمل ليزر الإلكترون الحر، والليزر الضوئية، والنهاية-المحطة، سواء قبل أو أثناء التجربة. أثناء إجراء التجربة الفعلية، التحديد الدقيق للتداخل المكاني والزماني وإغلاق رصد جميع التشخيصات وتوقيت النظم، كما هو موضح في هذا البروتوكول، ضرورية.

لاحظ أن معظم الأساليب الموصوفة هنا فقط المطبقة لمجموعة الطاقة فوتون محددة من FEL نظراً لأنها تعتمد على الآثار التي تعتمد بشدة على الطاقة فوتون. على سبيل المثال، تم العثور على تحديد التداخل الزمني "الخام" استخدام الضوء المتناثرة الموجهة على الضوئي العمل بشكل جيد للطاقات فوتون يصل إلى ~ 250 eV. في أعلى الطاقات فوتون، يصبح إشارة التي تم إنشاؤها بواسطة البقول FEL صغيرة جداً لدرجة أنه من الصعب اكتشاف. في هذه الحالة، تم العثور على كبل SMA مفتوحة يمكن جلب قريبة جداً (أقل من ملليمتر) إلى أو حتى في شعاع FEL لإنتاج إشارة أكثر موثوقية لتنفيذ الإجراء الموضح في الخطوة 3، 1) من البروتوكول. وبالمثل، هدف أفضل لتحديد توقيت "جيد"، هو موضح في الخطوة 3، 2)، يعتمد بشدة على طاقة فوتون. للبقول FEL في إكسوف ومنطقة الأشعة السينية لينة أعلاه 65.7 eV والطاقة فوتون eV ~ 57 (المقابلة لعتبات التأيند 4 في زينون و CH3الأول، على التوالي)، Xe والفصل3قد وجدت لتكون أهداف مناسبة للإجراء هو موضح في الخطوة 3، 2. طريقة استخدام CH3كان يتم العثور على العمل للطاقات فوتون تصل إلى 2 كيلوفولط (أعلاه والتي قد لا بعد تم اختباره)، في حين أن أسلوب استخدام Xe وقد تم اختبار ما يصل إلى 250 eV. للطاقات فوتون أدناه 50 eV، يمكن أن يكون السند تليين عملية في ح2 المستخدمة19. في الطاقات فوتون أعلاه 400 eV، عملية مماثلة في ن2 هو أيضا مناسبة20. النهج البديلة تنطوي على التغيير في انعكاسية من العينة الصلبة25،،من2630 أو تشكيل عصابات الجانب في31،الطيف النانومترية32.

وبغية تحقيق الأفضل الأزمنة، من الضروري أن فرز البيانات التجريبية على أساس النار بالنار في تحليل البيانات للتعويض عن غضب وقت وصول FEL بين نبضات الليزر الضوئية، كما هو موضح في الخطوة 5. ومع ذلك، نوعية البيانات مضخة-التحقيق، وفي الأزمنة قابلة للتحقيق، وخاصة بشدة يعتمد على أداء FEL أثناء التجربة والمدد نبض من نبضات الليزر الضوئية والبقول FEL التي يمكن توفيرها وخلال ذلك الوقت. للبيانات النموذجية هو موضح هنا، وقدرت مدة نبض نبضات الأشعة فوق البنفسجية أن تكون 150 خ (فوم) وقدرت مدة نبض FEL 120 خ (فوم). على الرغم من وصول إجمالي الوقت غضب من حوالي 90 خ (rms) قبل تصحيح الرجفان يمكن تخفيضه إلى حوالي 27 خ (rms) باستخدام الإجراء الموضح هنا12، التحسن الناجم عن ذلك القرار الزمني الإجمالي التجربة كان صغيراً بسبب المدد نبض طويلة نسبيا FEL والليزر الضوئية. على حد سواء، بيد سيخفض إلى حد كبير، في هذه الحالة أثر نظام تصحيح الرجفان ستكون أكثر أهمية. على سبيل المثال، ليزر بصرية جديدة يجري مثبتة حاليا على فلاش، والتي سيكون لها مدة نبض (بالقرب من الأشعة تحت الحمراء) أدناه خ 15، أثناء عملية FEL جديدة كما يجري اختبار وسائط يمكن إنتاج البقول FEL مع نبض مدد femtoseconds قليلة أو حتى أدناه. وستمكن هذه التطورات قريبا تجارب التحقيق مضخة الجمع بين FEL ونبضات الليزر الضوئية مع الأزمنة عموما سوى بضع عشرات من فيمتوسيكوندس.

بينما توفر زيادة نبضات شوف والأشعة السينية قصيرة ومكثفة تنتجها فيلس قد ولدت عددا من قوائم الجرد الوطنية للأشعة فوق البنفسجية-شوف مضخة-مسبار تجارب مثل تلك الموصوفة هنا، ويمكن أيضا إجراء تجارب التحقيق مضخة مماثلة مع جيل التوافقي عالية (الأثاث) مصادر33،،من3435. عادة ما يكون هو القيد الرئيسي للتجارب المستندة إلى FEL الأزمنة قابلة للتحقيق، الذي يقتصر أساسا بالتزامن بين FEL والليزر الضوئية أو بالدقة التي التوقيت النسبي بين المضخة ويمكن قياس نبضات التحقيق. ليس هذا هو الحال لتجربة مسبار مضخة المستندة إلى الأثاث، حيث تزامن البقول شوف ونير ارتباطاً وثيقا بدقة دورة الفرعية والذي يمكن أن يكون قرارا الزمانية أعلى بكثير ولذلك، بشكل عام،. والميزة الرئيسية لهذه التجارب المستندة إلى FEL، من ناحية أخرى، هو عدة أوامر من حجم أعلى فوتون فلوينس، الذي يتيح للتجارب، و على سبيل المثال.، تمييع الأهداف التي يتم لا يكون ممكناً مع مصادر الأثاث الحالية، لا سيما في أعلى فوتون الطاقات في نظام الأشعة السينية اللينة. في المستقبل المنظور، ستظل تجارب ضخ-التحقيق مع فيلس والأثاث وبالتالي تكميلية، مع بعض التداخل في منطقة شوف حيث يمكن استخدامها على حد سواء لتحقيقات مماثلة. بعض الخطوات لإجراء هذه التجارب أيضا متشابهة، وبعض الأساليب الموصوفة هنا يمكن ذلك أيضا تطبيق للتجارب المستندة إلى الأثاث مضخة-التحقيق.

Disclosures

الكتاب يعلن لا تضارب المصالح.

Acknowledgments

يشكر المؤلفون يفغيني سافيلييف، بومي سيدريك، نورا شيرميل، هارالد ريدلاين، ستيفان Düsterer، ارلاند مولر، Höppner هوك، سفين توليكيس، مولر جوست، ماري كريستين كزوالينا، رولف ترويش، توماس كيرسبيل، تيرينس مولينز، سيباستيان Trippel، ويسي جوس، يوخن نباتي، فيليكس Brauβe وفاروق كريسينيك، أرنو Rouzée، بيوتر روداوسكي، الواحدة جونسون، وأميني أبو سعود، لوير ألكسندرا، مايكل بيرت، بروارد مارك، لأوجي كريستنسن، يان Thøgersen، هنريك ستابيلفيلدت، نورا براح، فرج أناتولي تيتشيرت سيمون، ماريا مولر ، رودينكو ارتيم، دانييلا المحطم وميلاني شنيل، الذين شاركوا في بيمتيمي فلاش خلالها تم اقتناء البيانات المحددة أظهرت ومناقشتها هنا والذين ساهموا في التحليل والتفسير. أعمال الأفرقة العلمية والتقنية في فلاش، الذين جعلوا التجربة الممكنة، هو أيضا مع العرفان. د. يقر دعم من العلوم الكيميائية، علوم الأرض، وشعبة العلوم البيولوجية، ومكتب العلوم الأساسية في الطاقة، مكتب العلم، ووزارة الطاقة في الولايات المتحدة، رقم المنحة دي-FG02-86ER13491. وأيد هذه التجارب في فلاش أيضا "نزاع هلمهولتز" من خلال "برنامج المحقق الشباب هلمهولتز". ونحن نعترف "جمعية ماكس بلانك" للتمويل التنمية والعملية الأولى للمحطة النهاية المخيم داخل ماكس بلانك متقدمة فريق الدراسة في كفيل وتوفير هذه المعدات ل CAMP@FLASH. تركيب CAMP@FLASH مولت جزئيا 05K10KT2 المنح الألمانية، 05K13KT2، و 05K16KT3 و 05K10KTB من FSP-302

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Xenon Linde minican
CH3I (methyl iodide) Sigma Aldrich 67692 or other suitable sample
FEL pump-probe endstation CAMP@FLASH or LAMP@LCLS or a similar endstation at another FEL facility
fast XUV photodiode Opto Diode Corp. AXUVHS11
bias T Tektronix PSPL5575A
fast ( ≥2 GHz) oscilloscope LeCroy WaveMaster 8600A

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Feldhaus, J., Arthur, J., Hastings, J. B. X-ray free-electron lasers. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38, S799-S819 (2005).
  2. Pellegrini, C. The history of X-ray free electron lasers. Eur. Phys. J. H. 37, 659-708 (2012).
  3. Bostedt, C., et al. Experiments at FLASH. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 601, 108-122 (2009).
  4. Fang, L., et al. Probing ultrafast electronic and molecular dynamics with free-electron lasers. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 47, 124006 (2014).
  5. Rudenko, A., Rolles, D. Time-resolved studies with FELs. J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 204, 228-236 (2015).
  6. Bostedt, C., et al. Linac Coherent Light Source: The first five years. Rev. Mod. Phys. 88, 015007 (2016).
  7. Wernet, P., et al. Orbital-specific mapping of the ligand exchange dynamics of Fe(CO)5 in solution. Nature. 520, 78-81 (2015).
  8. McFarland, B. K. Ultrafast X-ray Auger probing of photoexcited molecular dynamics. Nat. Commun. 5, 4235 (2014).
  9. Erk, B., et al. Imaging charge transfer in iodomethane upon X-ray photoabsorption. Science. 345, 288-291 (2014).
  10. Boll, R., et al. Charge transfer in dissociating iodomethane and fluoromethane molecules ionized by intense femtosecond X-ray pulses. Struc. Dyn. 3, 043207 (2016).
  11. Amini, K., et al. Photodissociation of aligned CH3I and C6H3F2I molecules probed with time-resolved coulomb explosion imaging by site-selective XUV ionization. Struct. Dyn. 5, 014301 (2018).
  12. Savelyev, E., et al. Jitter-correction for IR/UV-XUV pump-probe experiments at the FLASH Free-Electron Laser. New J. Phys. 19, 043009 (2017).
  13. Dell'Angela, M., et al. Real-Time Observation of Surface Bond Breaking with an X-ray laser. Science. 339, 1302-1305 (2013).
  14. Öström, H., et al. Probing the transition state region in catalytic CO oxidation on Ru. Science. 347, 978-982 (2015).
  15. Ackermann, W., et al. Operation of a free-electron laser from the extreme ultraviolet to the water window. Nat. Photonics. 1, 336-342 (2007).
  16. Feldhaus, J. FLASH-the first soft X-ray free electron laser (FEL) user facility. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 43, 194002 (2010).
  17. Emma, P., et al. First lasing and operation of an Angstrom-wavelength free-electron laser. Nat. Photonics. 4, 641-647 (2010).
  18. Krikunova, M., et al. Time-resolved ion spectrometry on xenon with the jitter-compensated soft X-ray pulses of a free-electron laser. New J. Phys. 11, 123019 (2009).
  19. Johnsson, P., et al. Characterization of a two-color pump-probe setup at FLASH using a velocity map imaging spectrometer. Opt. Lett. 35, 4163-4165 (2010).
  20. Glownia, J. M., et al. Time-resolved pump-probe experiments at the LCLS. Opt. Express. 18, 17620-17630 (2010).
  21. Schulz, S., et al. Femtosecond all-optical synchronization of an X-ray free-electron laser. Nat. Commun. 6, 5938 (2015).
  22. Strüder, L., et al. Large-format, high-speed, X-ray pnCCDs combined with electron and ion imaging spectrometers in a multipurpose chamber for experiments at 4th generation light sources. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 614, 483-496 (2010).
  23. Löhl, F., et al. Electron Bunch Timing with Femtosecond Precision in a Superconducting Free-Electron Laser. Phys. Rev. Lett. 104, 144801 (2010).
  24. Czwalinna, M. K. Dissertation (PhD Thesis). , Universität Hamburg. (2012).
  25. Schorb, S., et al. X-ray-optical cross correlator for gas-phase experiments at the LCLS free-electron laser. Appl. Phys. Lett. 100, 121107 (2012).
  26. Beye, M., et al. X-ray pulse preserving single-shot optical cross-correlation method for improved experimental temporal resolution. Appl. Phys. Lett. 100, 121108 (2012).
  27. Bionta, M. R., et al. Spectral encoding method for measuring the relative arrival time between x ray/optical pulses. Rev. Sci. Instrum. 85, 083116 (2014).
  28. Redlin, H., et al. The FLASH pump-probe laser system: Setup, characterization and optical beamlines. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 635, S88-S93 (2011).
  29. Rolles, D., et al. Femtosecond x-ray photoelectron diffraction on gas-phase dibromobenzene molecules. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 47, 124035 (2014).
  30. Maltezopoulos, T., et al. Single-shot timing measurement of extreme-ultraviolet free-electron laser pulses. New J. Phys. 10, 033026 (2008).
  31. Meyer, M., et al. Two-color photoionization in XUV free-electron and visible laser fields. Phys. Rev. A. 74, 011401 (2006).
  32. Radcliffe, P., et al. An experiment for two-color photoionization using high intensity extreme-UV free electron and near-IR laser pulses. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 583, 516-525 (2007).
  33. Gagnon, E., et al. Soft X-ray-driven femtosecond molecular dynamics. Science. 317, 1374-1378 (2007).
  34. Wernet, P., et al. Real-time evolution of the valence electronic structure in a dissociating molecule. Phys. Rev. Lett. 103, 013001 (2009).
  35. Calegari, F., et al. Ultrafast electron dynamics in phenylalanine initiated by attosecond pulses. Science. 346, 336-339 (2014).

Tags

الكيمياء، 140 قضية، مضخة-التحقيق تجارب، Femtosecond أشعة الليزر، الإلكترون الحر الليزر، رجفان تصحيح، الصدغي والتداخل المكاني، المرحلة الغازية الجزيئات، والذرية والفيزياء الجزيئية، الكيمياء الضوئية
وضع بروتوكول تجريبي ل Femtosecond نير للأشعة فوق البنفسجية-شوف تجارب ضخ-التحقيق مع ليزر الإلكترون الحر
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Rolles, D., Boll, R., Erk, B.,… More

Rolles, D., Boll, R., Erk, B., Rompotis, D., Manschwetus, B. An Experimental Protocol for Femtosecond NIR/UV - XUV Pump-Probe Experiments with Free-Electron Lasers. J. Vis. Exp. (140), e57055, doi:10.3791/57055 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter