Rolf Treusch, DESY-FS
FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007
Experimente mit SASE Rolf Treusch HASYLAB @ DESY
FLASH Schichtgänger-Ausbildung 2007
Rolf Treusch, DESY-FS
FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007
Röntgenstrahlungsquellen in der Forschung
RöntgenFELs Synchrotronstrahlungsquellen Röntgenröhren
Rolf Treusch, DESY-FS
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Von Röntgens Röhre zum Röntgenlaser
klassisches „Röntgen“
Kristallstrukturbestimmung mit atomarer Auflösung + Informationen über Dynamik auf FemtosekundenZeitskala
Rolf Treusch, DESY-FS
Röntgenröhre
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Synchrotronstrahlung
Rolf Treusch, DESY-FS
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Anwendungen der Synchrotronstrahlung Absorptions-Spektroskopie: lokale atomare Umgebung, Valenzzustände, Katalyse Fluoreszenzanalyse: Spurenelement-Analyse (z.B. Si-Wafer-Verunreinigungen) Beugung: Strukturbestimmung, Stress und Spannungen in Materialien Kleinwinkelstreuung: weiche und flüssige Materialien (z.B. Polymere) Oberflächen und Grenzflächen: Rauhigkeit, Schichtdicke, Dichte dünner Schichten Struktur von Biomolekülen: DNA, Medikamentenentwicklung, zeitaufgelöste Dynamik biologischer Prozesse
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Von der Synchrotronstrahlung zum SASE FEL Synchrotron-Strahlungsquelle der 3. Generation (spontane Undulator-Strahlung, z.B. ESRF, PETRA 3)
+ 108 x mehr Spitzen-Leuchtstärke + kurze Pulse ( ≈ 100fs vs. 100ps) + volle transversale Kohärenz + Partielle longitudinale (zeitliche) Kohärenz (volle zeitliche Kohärenz über Seeding) = Freie-Elektronen-Laser (Strahlungsquelle der 4. Generation)
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„Mehr Licht“: wofür? Hohe Intensität: extrem verdünnte Proben, z.B. Spektroskopie an massenselektierten Clustern in der Gasphase oder Beugung and einzelnen Molekülen
Leistungsdichte: auf 1μm2 fokussiert >1016 W/cm2 ⇒ nichtlineare Effekte Kurze Pulse: Anregungsdauer auf Zeitskala von Molekülschwingungen Studium zeitabhängiger Prozesse, pump and probe-Experimente oder z.B. Röntgenmikroskopie an lebenden Zellen: höchste Auflösung durch schockgefrieren auf < - 150 C FEL schnell genug kein Einfrieren mehr nötig, Zelle stirbt erst nach ca. 50 ps durch Erwärmung
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Beispiele für Experimente mit dem FEL • Festkörperphysik: Wie schmilzt eine Oberfläche? • Plasmaphysik: Wie heiß ist heiß? • Femtochemie: Kann man eine chemische Reaktion „filmen“? • Biologie: Können wir die Struktur einzelner Proteine bestimmen? Sind schnelle strukturelle Änderungen messbar?
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Festkörperphysik: Wie schmilzt eine Oberfläche?
Rischel et al., Nature 390, S. 490 ff.
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European XFEL
Simulation von Prozessen Unter Extrembedingungen (hohe Temperatur, hoher Druck)
European XFEL
Plasmaphysik: Wie heiß ist heiß?
Temperatur (Grad Celsius)
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Femtochemie: Kann man eine chemische Reaktion „filmen“? Anfangszustand
MomentAufnahme
Anregung
Endzustand
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Momentaufnahmen zu verschiedenen Zeitpunkten nach Anregung ⇒ „Film“ der Reaktion
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Biologie: Können wir die Struktur einzelner Protein-Moleküle bestimmen?
berechnetes Streubild eines einzelnen Lysozym Moleküls
gemessenes Streubild eines mit Synchrotronstrahlung bestrahlten Lysozym Einkristalls
J.Hajdu et al.
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Coulomb-Explosion Bsp. Lysozym: weiß: Wasserstoff, grau: Kohlenstoff, blau: Stickstoff, rot: Sauerstoff, gelb: Schwefel
R. Neutze et al. Nature, August 2000
Bedingung: Puls kurz genug und nicht zu intensiv, damit „Messung im Kasten“ bevor Molekül zerstört
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Sind schnelle strukturelle Änderungen messbar? Laue-Diagramm eines Myoglobin-Kristalls mit Kohlenmonoxid-Liganden (MbCO), aufgenommen mit einem einzigen Synchrotronstrahlungs-Lichtpuls von 150 Pikosekunden Länge.
Bild zeigt ca. 2000 RöntgenlichtReflektionen (die hellen Punkte) Î Kristallstruktur mit einer Auflösung von 0,18 nm (ca. Größe des CO-Moleküls)
ESRF Highlights 1996/1997
mit XFEL noch 1000x kürzere „Belichtungszeit“
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Wie kurz sind 100 Femtosekunden ? Licht benötigt 1,3 sec von der Erde zum Mond
rahl t s t Lich
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100 fs (Femtosekunden) entsprechen einer Distanz von 30 μm bei Lichtgeschwindigkeit ( ≃ 300.000 km/s), d.h. der Breite eines Haares !!
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Meter vs. Nanometer 13000 km
13 mm
1m
1 nm
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Erste Experimente mit extrem intensiver FEL Strahlung im XUV (an TTF1) An Gasen (Atome/Cluster): Th. Möller et al., HASYLAB/DESY (nun TU Berlin)
⇒Multi-Photon-Anregung, Coulomb-Explosion
An Festkörpern: J. Krzywinski et al., Polnische Akademie der Wissenschaften, Warschau
⇒ Zerstörungsschwellen von optischen Elementen: „Was hält ein Spiegel am FEL aus?“ „Welche Beschichtung ist am besten?“
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FEL Cluster-Experiment
T.Möller et al.
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Flugzeit-Massenspektren von Xe-Atomen und Clustern 87 6 5 4
3
2
1
• hochgeladene Ionen aus Clustern
N~30000
5
• einfach geladene Atome
6 7
intensity
8
2x1013 W/cm2
3+
Xe 4+
N~80
++
Xe N~2-20
+
atom
Xe 200
400
time of flight [ns]
600
800
H. Wabnitz et al., Nature 420, 482-485 (2002)
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„Feuerwerk im Edelgascluster“
Physikalische Interpretation: Coulomb-Explosion
Rolf Treusch, DESY-FS
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„Jeder Schuss ein Treffer“
λ=80nm
Oberfläche von PMMA (“Plexiglas”) nach Bestrahlung mit einer Sequenz von FEL Pulsen J.Krzywinski et al.
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„Phase 2“: FLASH als Nutzeranlage
•
Resonante Ionisation hochgeladener Ionen (J. Crespo et al.)
•
Gasphasen Pump-probe Experimente (M. Meyer et al.)
•
Einzelschuss-Beugungsbilder (H. Chapman, J. Hajdu et al.)
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Damals: Diagnostik & Experimente bei TTF1 (1999-2002) Monochromator + ICCD Kamera
Gas Monitor Detector (GMD)
RAFEL MCP
2. DetektorEinheit
ABLO Experiment Cluster Experiment
Spiegel
1. DetektorEinheit + MCP
… wie eine Studentenbude: knapp 10 m2 für das Nötigste
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Heute: FLASH Experimentierhalle
PG2 BL1 BL2 BL3
Sichtbarer Laser
… mehr als 600 m2 – und genauso voll!
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Resonante Ionisation hochgeladener Ionen (Crespo et al.) superconducting magnet (6 Tesla) WITH
ion trap assembly
e-gun (Pierce type) I=400 mA achieved
insulator
E