Experimente mit SASE

Rolf Treusch, DESY-FS FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 Experimente mit SASE Rolf Treusch HASYLAB @ DESY FLASH Schichtgänger-Ausbild...
Author: Friedrich Stein
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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

FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007

Von Röntgens Röhre zum Röntgenlaser

klassisches „Röntgen“

Kristallstrukturbestimmung mit atomarer Auflösung + Informationen über Dynamik auf FemtosekundenZeitskala

Rolf Treusch, DESY-FS

Röntgenröhre

FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007

Synchrotronstrahlung

Rolf Treusch, DESY-FS

FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007

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

Rolf Treusch, DESY-FS

FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007

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)

Rolf Treusch, DESY-FS

FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007

„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

Rolf Treusch, DESY-FS

FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007

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?

Rolf Treusch, DESY-FS

FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007

Festkörperphysik: Wie schmilzt eine Oberfläche?

Rischel et al., Nature 390, S. 490 ff.

Rolf Treusch, DESY-FS

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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

Rolf Treusch, DESY-FS

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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“

Rolf Treusch, DESY-FS

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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 !!

Rolf Treusch, DESY-FS

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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?“

Rolf Treusch, DESY-FS

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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)

Rolf Treusch, DESY-FS

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„Feuerwerk im Edelgascluster“

Physikalische Interpretation: Coulomb-Explosion

Rolf Treusch, DESY-FS

FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007

„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

Rolf Treusch, DESY-FS

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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