Этот протокол описывает ключевые шаги для выполнения и анализа экспериментов насос зонд, сочетая Фемтосекундный оптический лазерный с свободных электронах для того, чтобы изучать сверхбыстрые фотохимических реакций в газовой фазе молекул.
Этот протокол описывает ключевые этапы выполнения и анализа Фемтосекундный насос зонд эксперименты, которые сочетают Фемтосекундный оптический лазерный с свободных электронах. Это включает методы для создания пространственных и временных перекрываются между оптическим и свободных электронах лазерных импульсов во время эксперимента, а также важные аспекты анализа данных, таких как исправления для прибытия время джиттера, которые необходимы для Получите наборы данных высокого качества насоса зонд с наилучшим возможным временным разрешением. Для подражания эксперимент выполняется на свободных электронах лазерный FLASH (Free электрон лазерной Гамбург) с целью изучения сверхскоростной фотохимии в газовой фазе молекул с помощью скорости карта Ион изображений демонстрируются эти методы. Однако большинство стратегий применимы также к подобные эксперименты насос зонд, с помощью других целей или другие экспериментальные методы.
Наличие крайней ультрафиолетовой короткий и интенсивный (XUV) и рентгеновского импульсов от свободных электронах лазеры (FELs)1,2 открыло новые возможности для фемтосекундных насос зонд эксперименты, используя сайт – и элемент специфика внутренней оболочки фото поглощение процесс3,4,5,6. Такие эксперименты могут использоваться, например, для расследования молекулярной динамики и заряда передачи процессов в жидкости7 и газовой фазы молекул8,9,10,11 , 12, и для реального времени наблюдения каталитических реакций и сверхскоростной поверхности химия13,14 с временным разрешением 100 фемтосекунд или ниже. Если насос зонд эксперимент осуществляется путем объединения синхронизированные оптических фемтосекундный лазер с ГСМ, который был во всех примерах упомянутых выше, внутренние джиттера время прибытия между оптических лазерных и Оскверненного импульсов должен измеряться на основе выстрела к выстрелу и исправлениями для анализа данных для достижения наилучшего временного разрешения.
В большой совместной работы несколько экспериментов насос зонд, сочетая оптическими лазерами с свободных электронах были недавно выполненных9,10,11,12, как на FLASH XUV FEL15 ,16 и17 ССК рентгеновского Скверны и экспериментальный протокол для выполнения и анализа этих экспериментов был разработан, которая представлена в следующем. Метод показал для подражания эксперимента выступали на флеш бесплатно-электронах с целью изучения сверхскоростной фотохимии в газовой фазе молекул с помощью скорости карта Ион изображений11,12. Однако большинство стратегий, также применимы к подобные эксперименты насос зонд, с помощью других целей или других экспериментальных методов и также может быть адаптирована к другим объектам Скверны. Хотя некоторые отдельные шаги, представленные здесь, или вариации их уже обсуждались в литературе18,19,20, этот протокол обеспечивает всестороннее описание ключевых шагов, том числе воспользоваться преимуществами последних технических усовершенствований в синхронизации и время диагностики, которые значительно улучшили стабильности и временное разрешение для насоса зонд эксперименты12, 21.
Следующий протокол предполагает конец насоса зонд станции, такие лагеря инструмент флэш-22, оснащены Ион время прохождения, Ион импульса изображений или скорости карты изображений ионный спектрометр (ДМС); Эффузивные или сверхзвуковой струи газа; и синхронизированные возле ИК-области спектра (NIR) или ультрафиолетового (УФ) фемтосекундный лазер, чьи импульсов может быть дублирует collinearly или вблизи collinearly свободных электронах лазерный луч, как схематично набросал на рисунке 1. Кроме того, соответствующий комплект диагностики инструментов, таких как экран просмотра съемной балки (например. манипулятора с покрытием Ce:YAG порошок или кристалле тонкого Ce:YAG) в регионе взаимодействия, быстро фотодиод, чувствительных к Скверны и лазерных импульсов и куча время прибытия монитор (BAM)23,24 или «времени инструмент»25,,2627 являются обязательными, все из которых обычно интегрирована в конец насоса зонд станции или предоставляются Фондом Скверны, если Просьба до эксперимента. Наконец коррекция выстрела к выстрелу джиттера предполагается, что экспериментальных данных записанных и доступ на основе выстрела к выстрелу и связанных выстрела к выстрелу измерения джиттера время прибытия время кучу с помощью уникальной «кучу ID» или другой эквивалентные схемы.
В FLASH конкретных систем, которые имеют решающее значение для насоса зонд экспериментов являются:
Подобные системы доступны на других объектах ГСМ и имеют решающее значение для выполнения надежный насос зонд эксперимент.
Из-за сложности экспериментальных установок, насос зонд эксперименты с лазеры на свободных электронах требует высокого уровня знаний и опыта и необходимость очень тщательного, подготовка и подробные обсуждения с научной команды, действуют свободных электронах, оптического лазера и конце станции, как до, так и во время эксперимента. При выполнении фактического эксперимент, точное определение пространственных и временных накладок и закрыть мониторинг всех диагностики и времени системы, как описано в настоящем Протоколе, имеют важное значение.
Обратите внимание, что большинство методов, описанных здесь применимы только для конкретных фотонной энергии диапазона FEL так, как они полагаются на эффекты, которые сильно зависят от энергии фотона. Например, определение «грубой» временные перекрытия, с использованием рассеянный свет, направленный на фотодиод был найден хорошо работать для фотон энергии до ~ 250 eV. На более высокие энергии фотона сигнал, генерируемых импульсов FEL становится настолько малы, что это трудно обнаружить. В этом случае открытого кабель SMA, которые могут быть привлечены очень близко (менее миллиметра) или даже в FEL луч был найден производить более надежный сигнал для выполнения процедуры, описанной в шаге 3.1) протокола. Аналогично, лучшие цели для определения сроков «хорошо», описанной в шаге 3.2), сильно зависит от энергии фотона. Для FEL импульсов в XUV и мягкого рентгеновского региона выше 65.7 eV и ~ 57 eV энергии фотона (соответствует 4d ионизации порогов в Ксенон и CH3, соответственно), ксенона и CH3я были признаны подходящие цели для процедуры описано в шаге 3.2. Метод, с помощью CH3я был найден работать для фотон энергии до 2 кэВ (выше которого он имеет еще не были протестированы), то время как метод с помощью Xe был протестирован до 250 eV. Для фотон энергии ниже 50 eV Бонд, смягчение процесса в H2 может быть используемые19. На фотона энергии выше 400 eV аналогичный процесс в N2 также является подходящим20. Альтернативные подходы включают изменения в отражательной способности в твердых образцов25,26,30 или формирование боковой полосы в фотоэлектронная спектра31,32.
Для достижения лучших временное разрешение, это необходимо для сортировки экспериментальных данных выстрелом на выстрел в на основе анализа данных, чтобы компенсировать дрожание время прибытия между FEL и оптических лазерных импульсов, как описано в шаге 5. Однако качество данных, насос зонд и, в частности, достижимых временное разрешение, сильно зависит от производительности FEL во время эксперимента и длительности импульса оптических лазерных импульсов и Оскверненного импульсов, которые могут быть предоставлены в это время. Для подражания данных, показанные здесь длительность импульса УФ импульсов составляла 150 fs (FWHM) и длительность импульса FEL оценивается в 120 fs (FWHM). Хотя общая прибытия время дрожание приблизительно 90 ФС (rms) перед джиттер коррекция может быть сокращен до приблизительно 27 fs (rms) с помощью процедуры описано здесь12, связанное с этим улучшение общего временного разрешения эксперимент был невелик из-за длительности относительно длинный импульс FEL и оптического лазера. Оба могут, однако, быть значительно сокращены, в этом случае влияние схемы коррекции дрожания будет более значительным. Например новый оптического излучения в настоящее время устанавливается на FLASH, который будет иметь длительность импульса (в ближней ИК-области) ниже 15 fs, в то время как новой операции Скверны, которую режимы также проходят проверку, который может производить FEL импульсы с длительностью импульса по несколько фемтосекунд или даже ниже. Эти изменения позволят вскоре насос зонд эксперименты, сочетая Скверны и оптических лазерных импульсов с общее временное разрешение только несколько десятков фемтосекунд.
В то время как увеличение числа импульсов короткий и интенсивный XUV и рентгеновского, производства FELs породил ряд NIR/УФ – XUV насос зонд эксперименты как один описаны здесь, подобные эксперименты насос зонд также могут быть выполнены с высоким гармонических поколения (HHG) источники33,34,35. Основное ограничение экспериментов на основе FEL обычно является достижимой временное разрешение, который принципиально ограничена путем синхронизации между FEL и оптического лазера или точность с которым относительное время между насосом и зондирующих импульсов может быть измерена. Это не дело для эксперимента на основе HHG насос зонд, где XUV и NIR импульсов неразрывно синхронизированы с точностью югу цикла и которые могут таким образом, в целом, имеют намного выше временным разрешением. Основным преимуществом на основе FEL экспериментов, с другой стороны, является несколько порядков выше Фотон Флюенс, который позволяет экспериментов, например., разбавить целей, которые являются не удастся с текущей HHG источников, особенно на выше Фотон энергии в режима мягкого рентгеновского. В обозримом будущем насос зонд эксперименты с FELs и HHG поэтому останется взаимодополняющих, с некоторые совпадения в регионе XUV, где оба могут использоваться для проведения подобных расследований. Некоторые из шагов для выполнения этих экспериментов также схожи, и некоторые из методов, описанных здесь поэтому может также применяться для экспериментов на основе HHG насос зонд.
The authors have nothing to disclose.
Авторы благодарят Савельев Евгений, Cédric Bomme, Нора Schirmel, Harald Редлин, Стефан Düsterer, Эрланд Мюллер, Хауке Höppner, Свен Толейкиса, Jost Мюллер, Мари Кристин Czwalinna, Рольф Тройш, Томас Kierspel, Теренс Mullins, Себастьян триппеля, Joss Wiese, Йохен Küpper, Феликса Brauβe, Фарук Krecinic, Арно Rouzée, Петр Rudawski, за Юнссон, Амини Kasra, Alexandra Lauer, Майкл Берт, Марк Brouard, лаге Кристенсен, Ян Thøgersen, Хенрик Stapelfeldt, Нора Беррах, Мария Мюллер, Анатолий Ulmer, Симоне Techert , Артем Руденко, Daniela Рапп и Мелани Schnell, который участвовал в Flash-beamtime, во время которого были приобретены конкретных данных показано и обсуждали здесь и которые способствовали анализу и интерпретации. Работе научных и технических групп на FLASH, которые сделали возможным эксперимент, это также с благодарностью. Д.р. признает поддержку от химических наук, геологии и Biosciences отдел, отделение фундаментальных наук энергии, управление науки, Министерство энергетики США, Грант № ДЕ FG02-86ER13491. Эксперименты на FLASH были также поддержаны объединением Гельмгольца через программу следователь молодой Гельмгольца. Мы признаем Общество Макса Планка для финансирования развития и ввод в эксплуатацию лагеря конечной станции в течение Макс Planck расширенный исследовательской группы в CFEL и предоставление оборудования для CAMP@FLASH. Установка CAMP@FLASH частично финансировалась BMBF грантов 05K10KT2, 05K13KT2, 05K16KT3 и 05K10KTB от FSP-302
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 |