Bir deneysel protokol için Femtosecond NIR/UV-serbest elektron lazerler ile XUV pompa-sonda deneyler

Özet

Bu iletişim kuralı gerçekleştirmek ve gaz fazlı molekülleri ultrafast fotokimyasal reaksiyonlar çalışma için femtosecond optik lazer serbest elektron lazer ile birleştirerek pompa-sonda deneyler analiz anahtar adımları açıklar.

Özet

Bu iletişim kuralı bir femtosecond optik lazer serbest elektron lazer ile birleştirmek femtosecond pompa-sonda deneyler çözümleme ve performans anahtar adımları açıklar. Bu kayma ve zamansal veri analizi için gerekli olan düzeltmeler için varış zaman değişimi, gibi önemli özellikleri yanı sıra deney sırasında optik ve serbest elektron lazer bakliyat arasında örtüşme oluştururken yöntemi içerir yüksek kaliteli pompa-sonda veri kümeleri en iyi olası geçici çözüm ile elde edilir. Bu yöntemler içinde flaş (serbest elektron lazer Hamburg) serbest elektron Lazer gaz fazlı molekülleri içinde Shaping photochemistry hız harita iyon görüntüleme aracılığıyla çalışma amacıyla gerçekleştirilen örnek teşkil eden bir deney için gösterilen. Ancak, çoğu stratejileri de diğer hedefler veya deneysel diğer teknikleri kullanarak benzer pompa-sonda deneyler için geçerlidir.

Giriş

Kısa ve yoğun aşırı ultraviyole (XUV) ve x-ışını bakliyat serbest elektron lazerler (FELs)^1,2 sitesi - istismar femtosecond pompa-sonda deneyler için yeni fırsatlar açtı ve öğe-özgüllük iç kabuk fotoğraf-emme işlemi^3,4,5,6. Bu tür deneyler-ebilmek var olmak kullanılmış, moleküler dinamiği araştırmak ve transfer şarj Örneğin, sıvı⁷ ve gaz fazlı molekülleri^8,9,10,11 ' işler ^{, 12}, ve gerçek zamanlı gözlemler katalitik reaksiyonlar ve ultrafast Kimya^13,14 zamansal çözünürlük 100 femtoseconds veya aşağıda yüzey için. Pompa-sonda deney FEL ile eşitlenmiş optik femtosecond lazer birleştirerek gerçekleştirilirse, hangi tüm örnekler olduğu yukarıda bahsedilen, ölçülecek optik lazer ve FEL darbeler arasında içsel varış saati değişimi vardır atış atış olarak ve mümkün olan en iyi zamansal çözünürlük elde etmek için verileri analiz için düzeltilmiş.

Büyük bir işbirliği içinde birkaç pompa-sonda deneyler serbest elektron Lazer optik lazerlerle birleştirerek gerçekleştirilen^9,10,11,12, FLASH XUV FEL^{15, her ikisi de son zamanlarda ,16} ve LCLS x-ışını FEL¹⁷ imkanları ve gerçekleştirme ve bu deneylerin analiz için deneysel bir iletişim kuralı geliştirilmiştir, hangi aşağıda sunulmuştur. Yöntem FLASH serbest elektron Lazer gaz fazlı molekülleri içinde Shaping photochemistry hız harita iyon görüntüleme^11,12aracılığıyla çalışma amacıyla gerçekleştirilen örnek teşkil eden bir deney için gösterilmiştir. Ancak, çoğu stratejileri de diğer hedefler veya deneysel diğer teknikleri kullanarak benzer pompa-sonda deneyler için geçerlidir ve ayrıca diğer FEL imkanları için adapte edilebilir. Bazı bireysel adımlar burada sunulan veya bunların varyasyonları zaten edebiyat^18,19,20dakikaya tartışılmıştır, bu protokolü anahtar adımların kapsamlı açıklaması sağlar, en son teknik gelişmeler senkronizasyon ve istikrar ve pompa-sonda deneyler^{12zamansal çözünürlük önemli ölçüde iyileştirilmiştir zamanlama tanılama yararlanan bazı dahil olmak üzere, 21}.

Aşağıdaki iletişim kuralı pompa-sonda uç-istasyon, FLASH²²bir iyon saat-in-uçuş, iyon ivme görüntüleme veya bir hız harita görüntüleme (VMI) iyon Spektrometre ile donatılmış, kamp enstrüman gibi varsayar; bir dilli veya süpersonik gaz jet; ve bir eşitlenmiş yakın kızılötesi (Nur) veya kimin bakliyat üst üste collinearly veya yakınındaki-collinearly serbest elektron lazer ışını ile Şekil 1' de şematik kabataslak olarak ultraviyole (UV) femtosecond lazer. Ayrıca, tanılama uygun bir dizisi bir çıkarılabilir ışın izleme ekranı gibi araçları (Örn. Ce:YAG toz veya ince Ce:YAG kristal ile kaplı bir raket) etkileşim bölgesi, hızlı fotodiyot FEL ve lazer bakliyat hassas ve bir grup varış saati monitör (BAM)^23,24 veya "zamanlama aracı"^25,26,27 gerekli, tüm bunların genellikle pompa-sonda uç-istasyon içinde entegre veya FEL tesis tarafından sağlanır deneme önce istedi. Son olarak, atış atış değişimi düzeltme deneysel veriler grup varış-zaman zaman değişimi atış atış ölçümleri için benzersiz bir "demet kimliği" kullanarak veya başka bir kayıtlı ve atış atış olarak erişilebilir ve bağlantılı olduğunu varsayar eşdeğer düzeni.

FLAŞ, pompa-sonda deneyler için çok önemli olan belirli sistemleri şunlardır:

• Aktif, tüm optik görüş ve sabitleme sistemi pompa-sonda lazer bir dengeli optik çapraz-bu pompa-sonda lazer osilatör çıkışı ana lazer osilatör için stabilize ilişkilendirici içerir, ana lazer osilatör için ve bir Çapraz-lazer amplifikatör ile ilgili osilatör²¹yavaş sürüklenir için düzeltmek için ilişkilendirici ("drift ilişkilendirici").
• Atış-to-shot varyasyonları Accelerator master ile ilgili çeşitli pozisyonlarda elektron grup varış zamanında ölçmek grup varış saati monitörler (BAMs) osilatör^23,24lazer. Onlar-ebilmek var olmak kullanılmış için etkin geri bildirim bir elektron zamanlaması dengelemek için döngü demet böylece yavaş sürüklenir varış zamanında azaltarak ana lazer osilatör ile ilgili. Ayrıca, BAM bulunan deney için kapalı (BAM 4DBC3) atış-to-shot değişimi düzeltme olarak ayrıntılı adım 5.1 / Deneysel protokol olarak mı veri analizi için kullanılabilir.
• Hangi önlemleri pompa-sonda arasında göreli zamanlamasına lazer çıktı ve ışın dökümü²⁸yönlendirilir önce Hızlandırıcı sonunda elektron grup tarafından oluşturulan dipol radyasyon pompa-sonda lazer çizgi kamera.
• Parasitically optik lazer yavaş kayma sürüklenir izlemek için "sanal" lazer odak odak arkasında son dönüm aynada sızıntı lazer ışını parçası kullanarak görüntüleri lens odak fotoğraf makinesi.

Benzer sistemleri diğer FEL imkanlar mevcuttur ve güvenilir pompa-sonda deney gerçekleştirmek için çok önemlidir.

Protokol

Dikkat: Bu yordama başlamadan önce bu deney için bağlı tüm olası tehlikeler hakkında bilgi sahibi olmak çok önemlidir. Aşağıdaki yordamı Sınıf-IV lazerler, XUV veya x-ışını radyasyon, yüksek gerilim kaynakları, sıkıştırılmış gazlar ve zararlı ve zehirli kimyasallar içerir. Lütfen tüm ilgili malzeme güvenlik veri sayfaları (MSDS) kullanmadan önce danışın ve FEL ve lazer aracı tarafından görevlendirilmiş tüm güvenlik gereksinimleri izleyin.

1. hazırlık

Not: deneme başlamadan önce yapılması, Örneğinbirkaç seçeneğiniz vardır., gerekli ölçmek için en uygun seçim pompa ve yoklama dalga boylarında ve yoğunluklarını hedef faiz ve Spektrometre uygun türü için ilgili tane observable (bkz, Örneğin., Fang ve ark. 2014⁴ ve Rudenko ve ark. 2015⁵). Aşağıdaki, bu teknik yönleri ile ilgili belirli işlemleri ve okudu hedefleri değil ele alınmıştır ve FEL için uygun ışın parametreleri ve optik lazer planlı deneme için kararlı olduğunu kabul edilir ve ayarlamak ve bu uygun iyon Spektrometre yüklü ve çalışır durumda.

1. Hizalama ve istikrar FEL ve lazer ışını işaret
   1. Denemenin başında tarafından atış atış ve FEL ve optik lazer ışınları etkileşim bölgesi çıkarılabilir ışın izleme ekranında işaret uzun vadeli istikrar izlemek ve lazer kurulum ve FEL lasing işlem kararlılığını artırmak , Eğer gerekli.
      Not: bir güvenilir pompa-sonda deneyi gerçekleştirmek için FEL ve optik lazer ışınları en iyi şekilde tüm beamline/ışık yolunu kullanarak uyumlu ve her iki kiriş işaret eden bazı odak nokta kendi boyutundan daha küçük çok önemlidir. Boyutları odaklı optik lazer ve FEL kirişler genellikle birkaç mikrometre, birkaç onlarca sırasına kadar uzaysal çözünürlük ekran ve optik ve bu ekran görüntü için kullanılan kamera ile ilgilenen demetinin vardır (e.g. uzun mesafe micros Cope) doğru her iki kiriş konumunu belirlemek için yeterince yüksek olması gerekiyor.
   2. Kaçmak ya da herhangi bir kırpma deneme nerede FEL darbe enerji ışını tüm taşıma aynalar ve diyafram beamline içinde merkezleme tarafından ölçülür konumu arasındaki FEL demetinin en aza indirmek. Değişiklikleri bir atış atış olarak veya yavaş sürüklenir bir gecikme tarama süresince işaret ışını FEL darbe enerji verileri normalleştirmek için yetenek uzlaşma olabilir yükleyen ışın klip herhangi bir açıklık.
   3. Gaz jet ve Spektrometre ile ilgili tüm üç mekansal boyutları FEL odak ve optik lazer odak noktası konumunu konumunu en iyi duruma getirme. Kurulum ayrıntılarını bağlı olarak, bu vakum odası taşıyarak veya bireysel bileşenleri taşıma, ve/veya FEL ve optik lazer ışını odak konumunu hareket ettirerek yapılabilir.
2. Geri bildirim sistemleri ve tanılama araçları düzgün
   Tüm gerekli geri bildirim sistemleri ve tanılama ve izleme araçları, düzgün, etkin olduğundan emin olun ve -gerektiğinde – onların veri FEL makine veri akışı ile kaydedilir. FLAŞ, bunlar tüm optik görüş ve sabitleme sistemi pompa-sonda lazer Grup varış saati monitörler (BAMs); Pompa-sonda lazer çizgi kamera; ve sanal odak fotoğraf makinesi. Giriş Bu sistemlerin daha ayrıntılı bir açıklama için bkz.
   Not: Bu olası sorunları, e.ghaberdar olmak için pompa-sonda deney yaparken bu sistemleri sürekli olarak izlemek için şiddetle tavsiye edilir., lazer eşitleme sistemi ile mümkün olduğunca çabuk.

2. kayma üst üste arasında FEL kiriş ve optik lazer ışını oluşturma

1. Görsel olarak, görüş perde etkileşim bölgede Ce:YAG yolunda kiriş üst üste
   1. İyon (ve elektron) dedektörü ve iyon Spektrometre elektrotlar üzerinde yüksek gerilim devam etmeden önce kapandığından emin olun.
   2. FEL darbe enerji ve filtreler ve attenuators beamline az % 1 için yüklü kullanarak optik lazer gücünü azaltmak iletim tarafından odaklı kirişler hasar görüş ekranın önlemek için.
   3. Görüş perde etkileşim bölgesine ışın yerleştirin. Eğer ışın noktalar tespit etmek mümkün değilse, biraz kendi yoğunluklarda artırın.
      Not: bağlı olarak deneysel geometri (tamamen collinear ya da yakınındaki-collinear, i.e., optik lazer ışını ile uyumlu FEL ışın, e.gile ilgili küçük bir açıyla. delik açılmış, çok fazla güç incoupling kaybetmemek için ayna), birkaç milimetre bile küçük bir yerinden bir kayma collinear geometri durumunda kiriş neden olabilir beri ekranın tam olarak etkileşim bölge konumunda yer alır çok önemli olabilir.
   4. Optik lazer lazer çekim kapatarak engellemek ve "kamera veri toplama yazılımı kullanarak bir bölgenin ilgi (ROI)" oluşturarak FEL ışın izleme ekrandaki konumunu işaretleyin.
   5. FEL çekim kapatarak FEL ışın engellemek ve optik lazer ışını görüş ekrandaki konumunu kontrol edin. Kullanarak uygun direksiyon aynalar için optik lazer, lazer ışını FEL yer işaretli konumu ile üst üste Hizala.
      Not: çoğu pompa-sonda deneyler için sonda ışın spot boyutundan büyük pompa ışın nokta boyutunu kullanmak yararlı olduğunu. Bu iyi kayma örtüşme bulma kolaylaştırır ve böylece nerede hedef tarafından pompa pulse heyecan var değil uzayın bir bölgesi sondalama olasılığını en aza indirmek için küçük daha sağlam işaretleme dalgalanmaları deneme yapar. Genel olarak, daha büyük bir pompa sonda nokta daha da daha homojen uyarma sağlar.
   6. 2.1.4 ve 2.1.5 çakışma ince ayar yapmak için ve çakışma kararlı olduğunu doğrulamak için adımları yineleyin.
   7. Görüş perde ışını kaldırın. O zaman, dedektörleri ve Spektrometre yüksek voltajlarını açın.
      Not: görsel etkileşim bölgesi izleme ekranında kiriş üst üste tatmin edici sonuçlar, i.evermezse., iki renkli sinyal adım 3.2, kirişler arasında kayma örtüşme açıklanan sonraki adımda bulunamazsa daha doğrusu iyon sinyal kullanarak bir iyon Spektrometre görüntüleme kullanılabiliyorsa, 2.2, adımda anlatıldığı gibi tanımlanabilir. Bu yordamı Johnsson ve ark. 2010¹⁹' da anlatılan.
2. İyon uçuş saat sinyal ve iyon görüntüleri kullanarak kiriş üst üste
   1. Dedektör düzlemde üst üste
      1. Spektrometre voltaj "mekansal görüntüleme modu", yaniayarla., iyon detektörü görüntü doğrudan, büyütülmüş görüntü etkileşim bölgesi olacak. Bu mod için voltaj ayarlarını belirli Spektrometre bağlıdır.
      2. Bir moleküler üst sigara parçalanmış iyon karşılık gelen iyon resim seçin ya da atomik bir hedef kullanın ve FEL ve optik lazer yalnız, e.gtarafından üretilen bir iyonik sorumlu devlet seçin. H₂O⁺ iyonları vakum odası içinde kalan gaz üzerinden. Gerekirse, böyle bir ücret devlet üretmek için FEL veya lazer yoğunluğu azaltmak. Işın hızı yordamı tahrifat bu yana, süpersonik bir ışın tarafından tanıtılan bir hedef kullanmaktan kaçının.
      3. Optik lazer lazer çekim kullanarak engellemek ve FEL ışın tarafından üretilen iyonları isabet konumunu işaretleyin.
      4. FEL FEL çekim kullanarak ışınla ve aynı iyon türler konumunu kayıt blok optik lazer ışını tarafından üretilen. Optik lazer için uygun direksiyon kullanarak aynalar, pozisyonlar örtüşme yanı sıra mümkün FEL ışın tarafından üretilen iyonları işaretli konuma sahip iyon düğmelerini tıklatana kadar lazer ışını hizalayın.
      5. Resimde ışın yayma yön boyunca iki kiriş üst üste için lazer odaklama lens alıncaya lazer odak Spektrometre içinde ortalanır.
      6. 2.2.1.3 ve 2.2.1.4 çakışma ince ayar yapmak için ve çakışma kararlı olduğunu doğrulamak için adımları yineleyin.
   2. Uçuş saat yönünde üst üste
      1. Bir "zaman Uçuş modu", yaniSpektrometre işletmek., öyle ki iyon algılama zamanlama sinyal (i.e., iyon uçuş saat spektrum) hızlı osiloskop veya FEL ana tetikleyici tarafından tetiklenir çizim tablası üzerinde izlenebilir . Öyle ki uçuş süresi duyarlı Spektrometre eksen boyunca başlangıç pozisyonuna Spektrometre Wiley-McLaren koşullarda çalışma kaçının.
      2. İyon uçuş saat spektrumda tanımlamak ve 2.2.1.2 içinde kullanılan aynı iyon karşılık gelen en yüksek yakınlaştırmak.
      3. Optik lazer lazer çekim kullanarak engellemek ve tam olarak yalnız FEL ışın tarafından üretilen uçuş zaman tepe ortasına işaretleyin.
      4. FEL çekim kullanarak FEL ışın engellemek ve yalnız optik lazer ışını tarafından üretilen aynı uçuş zaman tepe merkezi bulabilirsiniz. Kullanarak uygun direksiyon aynalar için optik lazer, optik lazer ışını tarafından üretilen uçuş zaman tepe mükemmel FEL ışın tarafından üretilen en yüksek işaretli merkezi ile çakışıyor kadar lazer ışını hizalayın.
         Not: Bu sadece Eğer varış saatlerini optik lazer bakliyat ve FEL bakliyat kabaca her biri bir nanosaniye içinde çalışır. Şüpheniz varsa, kayma örtüşme yordamı yapmadan önce 3.1. adımda anlatılan "kaba zamanlama" adımı gerçekleştirin.
      5. 2.2.2.3 ve 2.2.2.4 çakışma ince ayar yapmak için ve çakışma kararlı olduğunu doğrulamak için adımları yineleyin.

3. FEL bakliyat ve optik lazer bakliyat arasında geçici örtüşme kurulması

1. "Kaba" zamanlama
   Not: Bir hızlı fotodiyot kullanma, bağlı yolu ile kısa bir SMA kablosu, bir "T"ile önyargı "DC" ve bir hızlı (≥10 GHz) oscil bağlı bir 9 V pil için kaba zamanlama FEL bakliyat ve picoseconds birkaç onlarca hassas optik lazer bakliyat arasında belirlenebilir loscope, FEL ana tetikleyici tarafından tetiklenir. Genellikle, bu diyot yok edebilir beri diyot doğrudan FEL ve lazer ışınları yerleştirilmedi. Bunun yerine, FEL ışın yüklü dik, ve hareketli bir kafes için diyot dağınık fotonlar az miktarda göndermek için kullanılır.
   1. FEL darbe enerji ve filtreler ve nerede dağınık ışık sinyali fotodiyot yok değil noktasına beamline yüklü attenuators kullanarak optik lazer gücünü azaltır. Güvenli bir başlangıç noktası, genellikle % 1'lik bir iletim değeri olan (i.e., % 99 zayıflama).
   2. Saçılması kafes kiriş yerleştirin. Mesh konumunu en iyi duruma getirme ve FEL darbe enerji ve lazer gibi her ışın yalnız net bir sinyal verir ve her iki sinyali aynı yükseklikte olması güç.
   3. Optik lazer lazer çekim kullanarak blok ve en iyi zaman Bankası ile kullanılabilir, bir başvuru izleme yaklaşık 100 ortalamalar kullanarak osiloskop kaydedin.
   4. FEL çekim kullanarak FEL ışın engellemek ve lazer sinyal FEL başvuru ile elde edilen izleme karşılaştırın. Optik lazer, shift lazer sinyal başlangıcı tam olarak FEL sinyal başlangıcı konumda olana lazer darbesinin varış saati için uygun gecikme sahne kullanarak.
   5. 3.1.3 ve 3.1.4 FEL ve lazer bakliyat gibi birbirlerine yakın fotodiyot çözünürlüğüne bağlı mümkün olduğunca zamanında olduğunu doğrulamak için adımları yineleyin.
   6. Eğer, yukarıdaki yordamı bir sonucu olarak, birden çok 1 nanosecond tarafından zamanında lazer darbe kaymıştır, 2.2.2 ("uçuş saat yönünde örtüşme") ile yeni lazer zamanlama adımları yineleyin.
2. "İyi" zamanlama
   Not: Tam zamanıT₀, FEL ve lazer bakliyat zamanında tam olarak örtüşen olduğunuzda, en ya "basamak fonksiyonu" sergileyen iki renkli (FEL + lazer) sinyali kullanarak bulunabilir-artmak ya da azalmak, gibie.g., iyon verim veya kinetik enerji verilen iyonik parçanın içinde. Uygun yöntemi FEL ve lazer dalga boyu üzerinde bağlı olarak çeşitli yöntemler aşağıda açıklanmıştır.
   1. T xenon gazı kullanarak ₀ belirlenmesi için XUV + NIR Bakliyat
      Not: Bu yöntem 800 veya 400 nm lazer bakliyat ve XUV bakliyat 67,5 eV, Xe (4d) iyonlaşma eşiğin için uygundur.
      1. FEL ve optik lazer iyon (ve elektron) detector(s) aşırı sayısı oranı yüksek emme kesit Xenon nedeniyle zarar görmesini önlemek için azalt.
      2. XE gaz odasına gaz jet yoluyla veya bir İğneli vana ile vakum içine sızıntı tanıtmak. İkinci durumda, 1 x 10^-7 ve 1 x 10^-6 mbar arasında olması için baskı ayarlayın.
      3. İyon uçuş saat spektrum kaydedin. Lazer çekim kullanarak lazer engellemek ve iyon uçuş saat spektrum tek foton işlemler tarafından yanihakim öyle ki FEL darbe enerji ayarlayın., öyle ki en güçlü Xe şarj durumlarda Xe^{2 +} ve Xe^{3 +} peaks olan uçuş saat spektrum ve daha yüksek ücret Birleşik (hemen hemen) yok. Öyle ki her iki doruklarına dedektör ve veri toplama sistemi dinamik aralığını içinde de vardır, Xe basınç ayarlayın.
      4. FEL FEL çekim kullanarak kütük parçası ve unblock lazer. Lazer güç çoğunlukla Xe⁺ ve sadece küçük bir miktar Xe^{2 +}lazer bakliyat üretmek gibi ayarlayın.
      5. FEL engelini kaldırmak ve lazer bakliyat ulaşması yaklaşık 200 ps önce FEL FEL ve lazer arasındaki zamanlama ayarlayın ( T₀ adımda anlatılan "kaba" zamanlama yöntemi elde edilen yaklaşık okuma dayalı Bakliyat 3.1). iyon uçuş saat spektrum kaydetmek ve Xe^{2 +} oranı Xe^{3 +} için uçuş saat spektrum içinde karşılık gelen doruklarına alanından belirlemek.
      6. Lazer bakliyat yaklaşık 200 ps sonra FEL uygun şekilde zamanlama FEL ve lazer böyle arasında bakliyat kümesi elde edilen "kaba" zamanlama yöntemi elde T₀ temel. Xe iyon uçuş saat spektrum kaydetmek ve Xe^{2 +} Xe^{3 +}oranını belirlemek. FEL ve lazer bakliyat arasında kayma örtüşme iyiyse, kimden adım 3.2.1.5, Şekil 2' de gösterildiği gibi adım 3.2.1.5, daha güçlü an Xe^{3 +} sinyali ile elde edilen oranı önemli ölçüde değişecektir.
      7. Lazer zamanlama değerleri arasında yarım adım 3.2.1.5 ve 3.2.1.6 ayarlayın.
      8. İyon uçuş saat spektrum kaydetmek ve Xe^{2 +} Xe^{3 +}oranını belirlemek. Oranı bir adım 3.2.1.5 benzer ise, lazer bakliyat hala önce FEL gelen darbeler. Oranı bir adım 3.2.1.6 benzer ise, lazer bakliyat hala sonra FEL gelen darbeler.
      9. Lazer bakliyat hala önce FEL bakliyat geliyor (i.e., oranı 3.2.1.5 adıma benzer), zamanlamayı ayarlamak geçerli değeri ve adım 3.2.1.6 değeri arasında yarı yolda), aksi takdirde adımda yarım arasında geçerli değer ve değer ayarla 3.2.1.5).
      10. 3.2.1.8 ve 3.2.1.9 T₀ konumunu bir duyarlılığa 500 fs daha azaldı kadar yineleyin.
      11. +/-1 ps adımları 50 fs (veya daha küçük, NIR ve FEL darbe süresi bağlı olarak) yaklaşık bulunduğu T ₀ etrafında bir bölge üzerinde bir gecikme taraması ayarlayın. Uçuş saat spektrum kaydetmek ve Xe^{2 +} Xe^{3 +} her adım için oranını belirlemek. Sinyal içinde "basamak fonksiyonu" ortasına T₀tam konumunu ortaya çıkarır.
   2. T₀ belirlenmesi için istimal CH₃XUV + NIR veya UV bakliyat ben
      Not: Bu yöntem her iki 266 nm veya 800-nm lazer bakliyat ve XUV bakliyat ~ 57 eV, I(4d) iyonlaşma eşiğin için uygundur (400 nm test edilmemiş, ama muhtemelen de mümkün). CF₃kullanılarak da gerçekleştirilebilir ben CH₃yerine ben.
      1. FEL ve optik lazer bulmak bir aşırı sayısı oranı ile zarar görmesini önlemek için azalt.
      2. CH₃tanıtmak ben molekülleri gaz jet yoluyla veya bir İğneli vana ile vakum içine sızıntı odasına. İkinci durumda, 1 x 10^-7 ve 1 x 10^-6 mbar arasında olması için baskı ayarlayın. Buhar basıncı ı örnek CH₃moleküler bir ışın oluşturmak yeterli değilse, o bir taşıyıcı gaz olarak kullanın.
      3. İyon uçuş saat spektrum kaydedin. Lazer çekim kullanarak lazer engellemek ve FEL darbe enerji en yüksek kullanılabilir darbe enerji için ayarlayın.
      4. FEL FEL çekim kullanarak engelleyin. Öyle ki lazer CH₃üretir 266 nm bakliyat kullanırken, lazer güç ayarlamak ben⁺ iyonları ve ben⁺ ve CH₃⁺küçük bir miktar. 800 nm bakliyat kullanırken lazer güç lazer CH₃önemli miktarda ben⁺, ben⁺ve CH₃⁺ iyonları üretir, ama sadece daha yüksek iyonları şarj öyle ki ayarlayın.
      5. Lazer bakliyat (3.1. adımda anlatılan "kaba" zamanlama yöntemi elde T₀ yaklaşık okuma bağlı olarak) FEL bakliyat önce yaklaşık 200 ps gelmesi FEL ve lazer arasındaki zamanlama ayarlayın. İyon uçuş saat spektrum kaydetmek veya bir hız harita kullanırken (VMI) spektrometre, ben için iyon görüntü görüntüleme^{4 +} parçası (foton enerji 600 eV, ben aşağıda için^{3 +} parça da kullanılabilir). Öyle ki tek başına ve multiply şarj edilmiş iyot parçaları için karşılık gelen uçuş saat tepeler (nedeniyle büyük kinetik enerji) geniş veya VMI Spektrometre kullanırken Spektrometre gerilimi ayarlamak öyle ki ben^{4 +} iyon görüntü Dedektör çoğunu kapsar.
         1. İyon uçuş saat spektrumunda ben için karşılık gelen en yüksek^{4 +} parça (aynı zamanda daha yüksek iyot şarj Amerika'ya karşılık gelen tepeler) dar bir spike ortasında olacak (bkz. Şekil 3A). Küçük parlak noktalar VMI spektrometre, bir ya da iki (spektrometre çözünürlük ve lazer polarizasyon yönünde) bağlı olarak kullanırken ben merkezine yakın görünür^{4 +} iyon görüntü (bkz. Şekil 3B). Bu özellikler, zamanlama veya kayma gibi görünüyorsa örtüşme doğru değildir.
      6. T₀ üzerinde dayalı FEL bakliyat "kaba" zamanlama yönteminden elde sonra lazer bakliyat yaklaşık 200 ps gelmesi FEL ve lazer arasındaki zamanlama ayarlayın. İyon uçuş saat spektrum ya da iyon görüntü için ben^{4 +} parça kayıt. Spike TOF tepeler ve parlak spot(s) VMI görüntülerin merkezinde ortasında yok olacaktır.
      7. Yarım adım 3.2.2.5 ve 3.2.2.6 değerleri arasında zamanlama lazer ayarlayın.
      8. Kayıt iyon uçuş saat spektrum ya ben^{4 +} iyon görüntü ve sivri veya spot(s) mevcut olup olmadığını belirlemek. Onlar varsa, lazer bakliyat hala önce FEL geldiğinde bakliyat. Yoksa, lazer bakliyat hala sonra FEL gelen darbeler.
      9. Lazer bakliyat hala önce FEL bakliyat geliyorsanız, geçerli değeri ve adım 3.2.2.6, aksi takdirde değeri arasında yarı yolda koymak o geçerli değer ve değer arasında yarı yolda adım 3.2.2.5 zamanlamayı ayarlamak.
      10. 3.2.2.8 ve 3.2.2.9 T₀ konumunu bir duyarlılığa 500 fs daha azaldı kadar yineleyin.
      11. 1 ps T₀ yaklaşık mevki 50 fs adımlarla +/-bir bölge üzerinde bir gecikme taraması ayarlayın. Uçuş saat spektrum ya da iyon görüntü için ben her adım için^{4 +} parçası kayıt. Spike veya parlak noktalar verimini gecikme bir fonksiyonu olarak çiz. Sinyal içinde "basamak fonksiyonu" adlı bir gecikme ~ 120-150 fswith saygı T₀^9,10merkezidir.

4. iki renkli sinyal kayma Örtüşmeyi ince ayar

Not: 2,1 ve 2,2 adımlarda açıklanan kayma örtüşme kurmak için yordam geçici örtüşme (adım 3) oluşturmak için yordamda açıklanan iki renkli sinyal gözlemlemek için genellikle kesin olmakla birlikte, bu kez ince ayar yapmak için tavsiye edilir gerçek pompa-sonda deney başlamadan önce kayma Örtüşmeyi bu iki renkli sinyal.

1. Bakliyat kayma örtüşme ince ayar yapmak üzere dikkatle kayma örtüşme ve lazer bakliyat yaklaşık 1 ps sonra FEL geldiğinde böylece Xe^{2 +} Xe^{3 +} oranı en üst düzeye çıkarmak aynaları ayarlayın.
2. Alternatif olarak, geçici örtüşme yordamı gerçekleştirdiyseniz CH₃ile ben, verimi maksimize etmek ben düşük enerjili bileşenin lazer bakliyat yaklaşık 1 ps önce FEL geldiğinde^{4 +} parçaları bakliyat.
   Not: İdeal olarak, böyle bir sinyal bulunca iki renkli sinyal gerçek hedef molekül kullanarak ince ayar bu yordamı tekrarlanır.

5. varış saati değişimi-düzeltme veri analizi

Not: mümkün olan en iyi zamansal çözünürlük elde etmek için tek-shot verilerini grup varış saati monitör (BAM) veya zamanlama aracı, göre ölçülen atış-to-shot varış saati dalgalanmaları için açıklandığı gibi Örneğin, Savelyev içinde düzeltilmesi gerekiyor vd. 2017¹².

1. BAM verileri esas varış saati değişimi Düzeltme
   Not: T₀ belirlenir verileri hem de varış saati değişimi düzeltme olmak zorunda için T₀için aynı yordamı benzersiz ve evrensel bir değer belirlemek amacıyla gerçekleştirilen (Örn. verileri elde Adım 3.2) ve gerçek deneysel veri ilgi için. Aşağıdaki açıklama iyiliği için T₀ Xe iyon uçuş zaman izleri ölçerek belirlenir kabul edilir. Protokol eşdeğer diğer durumlarda uygulanabilir.
   1. Çizgi kamera değerleri, lazer zamanlama değişimi ve BAM değerleri pompa-sonda tarama ilgi tüm aralığı için atış sayısı bir fonksiyonu olarak çiz. Büyük, ani atlar daha--dan 1 PS, bu belirli tarama işlemi sırasında lazer kilit veya başka bir teknik sorun kaybı belirtisi olabilir. Bu bölgede verilerden aşağıda açıklanan düzeltme için mükellef olmayabilir ve atılacak gerekebilir.
   2. Arsa için bulunan BAM BAM değerlerden bir çubuk grafik adım 3.2.1.11 gecikme tarama her çekim için deneme (BAM 4DBC3) kapalı.
   3. Seçti bir değer dağıtım merkezine yakın ve referans değeri BAM₀tanımlayın.
   4. Gecikme inceden inceye gözden geçirmek her atış için düzeltilmiş gecikme olarak atış numarası n olan D_n, hesaplamak
      D_n = P_n + (BAM_n -BAM₀) (1)
      Burada P_n gecikme sahne konumdur ve BAM_n nBAM değerdir th vurdu. Not daha fazla pozitif BAM değerler lazer ve FEL nabız, i.earasında daha büyük bir gecikme anlamına., daha sonragelen FEL.
   5. Tek-shot uçuş zaman izleri uygun gecikme depo gözlerindeki onların düzeltilmiş gecikme değeri temel alınarak ve Xe^{2 +} T_{0 düzeltilmiş konumunu veren Xe^{3 +} oranı, basamak fonksiyonu merkezi konumunu belirlemek sıralama} .
   6. Değerin BAM₀ için adım 5.1.4 olduğu gibi kullanarak), gecikme inceden inceye gözden geçirmek her çekim EQ (1) kullanarak ilgi gerçek pompa-sonda verilerle için düzeltilmiş gecikme D_n hesaplamak.

Sonuçlar

FEL ve optik lazer bakliyat iyon spektrometre, geçici örtüşme, i.eetkileşim bölgede dağınık şekilde örtüşen ise., T₀FEL ve lazer bakliyat tam olarak aynı zamanda gelmesi, gecikme değeri bulunabilir gecikme FEL ve NIR nabız arasında değişen ve oranı Xe^{2 +} Xe^{3 +} iyon için analiz ödeme gecikmesi, bir işlevi yukarıda 3.2.1 bölümünde açıklandığı gibi. NIR darbe sonra (hangi bir foton enerji 67,5 ev veya daha yüksek olması gerekir) FEL darbe geldiğinde^{3 +} iyon verim sonrası iyonizasyon nedeniyle artar Xe heyecanlı, burgu çürüme sırasında oluşturulan metastable Xe^{2 +} iyon işlemi Xe (4d) iç kabuk iyonlaşma¹⁸, Şekil 2' de gösterildiği gibi. Oranı Xe^{2 +} Xe^{3 +} komplo iyon verim gecikme bir fonksiyonu bu nedenle T₀tam değerini ayıklamak için donatılmış bir adım işlev verir gibi.

Benzer bir basamak fonksiyonu FEL ve lazer bakliyat arasındaki gecikme değişen ve iyon uçuş zaman izleri ya da iyon ivme görüntüleri ben gibi çok iyot iyonlar tarafından elde edilebilir^{3 +} veya CH_{3 iyonlaşma içinde oluşturulan^{4 +},} ben, adım 3.2.2 yukarıda açıklandığı gibi). Bu durumda, düşük enerjili katkı ek bir en yüksek uçuş saat spektrumda çok iyot doruklarına Merkezi'nde veya merkezi karşılık gelen ivme görüntülerin, Şekil 3' te gösterildiği gibi parlak bir nokta olarak görüntülenir. Düşük enerjili iyonları ne zaman oluşturulur CH₃ben molekülleri ilk lazer darbe tarafından ayrışmış ve iyon parçası sonra tarafından FEL darbe^9,10sonrası iyonize. FEL foton enerji 57 eV, iyot 4d iç kabuk iyonlaşma eşik CH₃daha yüksek olduğu sürece NIR veya UV bakliyat pompa-sonda deneme için kullanılan bu yöntem kullanılabilir ben.

Amacıyla doğru değişimi ile ilgili lazer bakliyat FEL bakliyat göreli varış zamanında için Şekil 4' te gösterilen grup varış saati monitör (BAM), tarafından kaydedilen atış atış veri kaydedilen pompa-sonda verileri sıralamak için kullanılabilir sonrası analizi, 5 bölümünde yukarıda açıklandığı gibi. Bu genellikle zamansal çözünürlük ve pompa-sonda veri genel kalitesini önemli ölçüde, Şekil 4 ve daha ayrıntılı, Savelyev vd 2017¹²olarak gösterildiği gibi artırır.

Şekil 1: deneysel Kur. Kroki için bir UV-pompa XUV-sonda deney gaz fazlı moleküller üzerinde deneysel kurulumunun. Mor ötesi (266 nm) lazer ışını üçüncü Beta Baryum Borat (BBO) kristalleri kullanarak bir 800 nm titanyum: Sapphire (Ti:Sa) demetinin harmonik ve sıkıştırılmış bir prizma kompresör kullanarak üretilmektedir. Collinearly açılmış bir ayna kullanarak XUV FEL ışını ile örtüşen ve merkezi bir çift taraflı hız harita görüntüleme spektrometresi^22,29süpersonik gaz kiriş içinde odaklanmış. İyon ve elektron ivme dağıtımları bir CCD kamera tarafından takip bir MCP/fosfor ekran derleme kullanarak Spektrometre ters ucunda kaydedilir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Şekil 2: gecikme-bağımlılık Xe iyon verim. XE iyon uçuş saat spektrum (hızlı bir dijital dönüştürücü tarafından kaydedilen bilgisini iletmiyor MCP sinyal) 83 eV foton enerji ve Nur (bluz, siyah izle) önce gelen 1 μs lazer bakliyat ve sonra (alt, kırmızı izle) FEL bakliyat. Değişikliği Xe^{2 +} Xe^{3 +} oranı açıkça görülmeye başlıyor. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Şekil 3: gecikme-bağımlılık iyot iyon verim ve momentum. (A) ben Zoom-in tepe^{4 +} CH₃727 eV foton enerji ve (kırmızı çizgi) önce gelen UV lazer bakliyat ile kaydedilen iyon uçuş saat spektrumda (siyah çizgi) sonra ve FEL bakliyat. FEL ve UV darbe yalnız lazer için mavi ve yeşil hat, sırasıyla, uçuş saat spektrum gösterir. Bu rakam Koza vd. 2016¹⁰değiştirildi. (B) iyon ivme görüntü ben^{3 +} iyonları kaydedilen 107 eV foton enerji ve UV CH₃lazer bakliyat FEL bakliyat önce gelen. (C) (B)olarak, ama aynı FEL bakliyat sonra gelen UV darbeleri ile. (B) ve (C) renk ölçeğinde iyon verim rasgele birimleri cinsinden gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Şekil 4: göreli varış zaman değişimi FEL, bakliyat optik lazer bakliyat ile ilgili. (A) atış atış demet varış saati monitör (BAM) veri için bir örnek teşkil eden gecikme tarama sırasında kaydedilen tüm FEL atış. Referans değeri BAM₀ demek bu tarama için BAM değer ayarlandı. (B) iyon verim düşük kinetik enerji ben^{3 +} iyonları difluoroiodobenzene atış-to-shot varış değişimi düzeltilmesi önce bir UV-XUV pompa-sonda deney üretilen. Kırmızı çizgi bir kümülatif dağılım fonksiyonu (Gauss hata) deneysel veriler için en küçük kareler fit gösterir. Sığdır değiştirgesi σ pompa-sonda deneme toplam zamansal çözünürlük ölçüsüdür. (C) (B) olduğu gibi ama tek-shot görüntülerle aynı BAM verileri kullanarak yeni gecikme depo başvurdu. Hata çubukları bir standart sapmayı temsil eder. Şekil Savelyev vd 2017¹²den uyarlanmıştır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Tartışmalar

Deneysel kurulumları karmaşıklığı nedeniyle, pompa-sonda deneyler serbest elektron lazerler ile yüksek düzeyde bir uzmanlık gerektirir ve deneyim ve ihtiyaç çok dikkatli hazırlık ve bilimsel ile ayrıntılı tartışmalar takım çalışması serbest elektron lazer, optik lazer ve uç-istasyon, öncesi ve deney sırasında. Gerçek deney yerine getirirken, kayma ve geçici örtüşme ve yakın tüm Tanılama izleme ve sistemleri, zamanlama kesin belirlenmesi bu protokol için açıklandığı gibi temel.

Kuvvetle bağlı foton enerji etkileri itimat beri burada açıklanan yöntemlerin çoğu sadece FEL belirli foton enerji aralığı için geçerli olduğunu unutmayın. Örneğin, "kaba" geçici örtüşme dağınık ışık bir fotodiyot yönettiği aracılığıyla belirlenmesi de foton enerji için çalışmaya bulundu kadar ~ 250 eV. Daha yüksek foton enerjilerde FEL bakliyat tarafından üretilen sinyal tespit etmek zor kadar küçük olur. Bu durumda, çok yakın (az bir milimetre) veya bile FEL kiriş içine getirilebilir açık uçlu bir SMA kablo 3.1. adımda açıklanan yordamı gerçekleştirmek için daha güvenilir bir sinyal üretmek için bulundu) iletişim kuralı. Benzer şekilde, "iyi" zamanlama belirlemek için en iyi hedef açıklanan adım 3.2), şiddetle foton enerji üzerinde bağlıdır. FEL bakliyat XUV ve yumuşak x-ışını bölgesinde 65,7 eV ve (karşılık gelen 4d iyonizasyon eşikleri xenon ve CH₃için ben, sırasıyla) ~ 57 eV foton enerji, Xe ve CH₃yukarıda için ben bulunmuştur yordamı için uygun hedefler 3.2. adımda anlatılan. En çok 2 foton enerji için çalışmaya bulundu CH₃kullanarak yöntemi (üzerinde bu değil henüz test edilmiş) keV, Xe kullanarak yöntemi sırasında kadar test edilmiştir 250 eV. Aşağıda 50 eV foton enerji için kullanılan¹⁹H₂ sürecinde yumuşatma bond olabilir. Foton enerji 400 eV yukarıda, benzer bir süreç olarak N₂ uygun²⁰da. Alternatif yaklaşımlar Değiştir yansıtma bir katı numune^25,26,30 veya yan photoelectron spektrum^31,32bantlarında oluşumu içerir.

En iyi ulaşmak için zamansal çözünürlük, adım 5'te açıklandığı gibi bir atış atış olarak varış zaman değişimi FEL ve optik lazer bakliyat arasında telafi etmek için veri analizi deneysel verileri sıralamak gerekli olduğunu. Ancak, pompa-sonda veri ve özellikle, ulaşılabilir zamansal çözünürlük, kalite güçlü FEL performans sırasında deneme ve optik lazer bakliyat ve sağlanabilir FEL darbeleri darbe süreleri bağlıdır Bu süre içinde. Burada gösterilen örnek veriler için UV darbeleri darbe süresi 150 fs (FWHM) olarak tahmin edilmiştir ve FEL darbe süresi 120 fs (FWHM) olarak tahmin edildi. Her ne kadar toplam varış zamanı-değişimi, yaklaşık 90 FS'nin (yaklaşık 27 yordamı kullanarak fs için (rms) değişimi-düzeltme azaltılabilir önce rms) burada¹², toplam zamansal çözünürlük elde edilen iyileştirme açıklanan deney FEL ve optik lazer nispeten uzun nabız süreleri nedeniyle oldukça küçüktü. Her ikisi de olabilir, ancak, önemli ölçüde azalır, bu değişimi düzeltme düzeni etkisini durumda daha önemli olacak. Örneğin, yeni bir optik lazer Şu anda bir darbe süresi (yakın kızılötesi içinde) olacak flaş, 15 TB, FEL darbeleri darbe sürelerini bir kaç femtoseconds ile üretmek ya da modları da test edilen yeni FEL işlemi sırasında aşağıda yükleniyor aşağıda. Bu gelişmeler yakında FEL ve optik lazer bakliyat femtoseconds sadece birkaç onlarca genel olarak geçici bir çözünürlük ile birleştirerek pompa-sonda deneyler sağlayacaktır.

Kısa ve yoğun XUV ve x-ışını nabız FELs tarafından üretilen Artırılmış kullanılabilirlik NIR/UV - bir dizi Promise iken XUV pompa-sonda gibi biri burada açıklanan deneyler, benzer pompa-sonda deneyler da yüksek harmonik üretimi ile gerçekleştirilir (HHG)^33,34,35kaynakları. Ana FEL tabanlı deneyleri genellikle temelde FEL ve optik lazer arasındaki eşitleme veya duyarlık sınırlıdır ulaşılabilir zamansal çözünürlük kısıtlamasıdır hangi ile pompa arasında göreli zamanlama ve sonda bakliyat ölçülebilir. HHG tabanlı pompa sonda deneme için nerede XUV ve NIR nabız özünde alt döngüsü hassasiyetle eşitlenir ve hangi bu nedenle, genel olarak, çok daha yüksek zamansal çözünürlük olabilir bu durum böyle değil. FEL tabanlı deneyler büyük avantajı, öte yandan, deneyler, e.gsağlayan birkaç büyüklük daha yüksek foton akım, olmasıdır., üzerinde seyreltik geçerli HHG kaynakları ile mümkün olmayacak olan hedefler özellikle yüksek foton enerji yumuşak x-ışını rejim. Yakın gelecekte, pompa-sonda deneyler FELs ve HHG bu nedenle tamamlayıcı, nereye her ikisi-ebilmek var olmak kullanılmış için benzer araştırmalar XUV bölgedeki bazı örtüşme ile kalacaktır. Bu deneyler gerçekleştirme adımları da benzer bazı ve burada açıklanan yöntemlerden bazıları bu nedenle de HHG tabanlı pompa-sonda deneyler için uygulanabilir.

Malzemeler

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 ( ≥10 GHz) oscilloscope	Tektronix	TDS6124C