Experimente mit SASE - DESY
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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 FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 European XFEL Simulation von Prozessen Unter Extrembedingungen (hohe Temperatur, hoher Druck) European XFEL Plasmaphysik: Wie heiß ist heiß? Temperatur (Grad Celsius) Rolf Treusch, DESY-FS FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 Femtochemie: Kann man eine chemische Reaktion „filmen“? Anfangszustand MomentAufnahme Anregung Endzustand Rolf Treusch, DESY-FS FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 Momentaufnahmen zu verschiedenen Zeitpunkten nach Anregung ⇒ „Film“ der Reaktion Rolf Treusch, DESY-FS FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 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. Rolf Treusch, DESY-FS FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 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 Rolf Treusch, DESY-FS FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 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 FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 Wie kurz sind 100 Femtosekunden ? Licht benötigt 1,3 sec von der Erde zum Mond rahl t s t Lich Rolf Treusch, DESY-FS FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 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 FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 Meter vs. Nanometer 13000 km 13 mm 1m 1 nm Rolf Treusch, DESY-FS FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 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 FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 FEL Cluster-Experiment T.Möller et al. Rolf Treusch, DESY-FS FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 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 FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 „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. Rolf Treusch, DESY-FS FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 „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.) Rolf Treusch, DESY-FS FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 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 FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 Heute: FLASH Experimentierhalle PG2 BL1 BL2 BL3 Sichtbarer Laser … mehr als 600 m2 – und genauso voll! Rolf Treusch, DESY-FS FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 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<12 keV einzel lense λvuv deflector e-collector pumping pumping quadrupole insulator (up to 180 kV) Rolf Treusch, DESY-FS FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 „Röntgenblick ins Sternenfeuer“ J.Crespo et al. S.W.Epp et al., Phys. Rev. Lett. 98, 183001 (2007) Rolf Treusch, DESY-FS FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 Gasphasen Anrege-Abtast Pump-probe Experimente (M.Meyer et al.) Experiment - LIXAM / LURE (Orsay, France) D. Cubaynes, P. O’Keeffe, M. Meyer - DESY (Hamburg, Germany) S. Düsterer, P. Radcliffe, H. Redlin, E. Plönjes, J. Feldhaus - Dublin City University (Dublin, Ireland) H. Luna, P. Yeates, E. Kennedy, J. Costello - Queens University Belfast (U Kingdom) Ph. Orr, D. Riley, J. Pedrosa, C. Lewis - Max-Born-Institut (Berlin, Germany) I. Will Theorie - LCP-MR (Paris, France) R. Taïeb, A. Maquet - FORTH (Heraklion, Greece) P. Lambropoulos - University of Moscow A. Grum-Grzhimailo, E.Gryzlova, A. Magunov, S. Strakhova Rolf Treusch, DESY-FS FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 Überlagerung eines sichtbaren/IR und eines VUV Laserpulses in Edelgasstrahl Elektronen Spektrometer ħωIR=1.55eV VUV sichtbarer fs Laser Puls Seitenbänder (Intensität Proportional zu IR-Intensität) Gasstrahl M.Meyer et al. Ar(IP) 15.76 eV M. Meyer, P.O´Keeffe LURE Rolf Treusch, DESY-FS Zeitlicher Überlapp für 600 fs FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 - Laser + FEL Korrelationsbreite ~130 fs (FWHM) Æ Jitter + Drift nur ~250 fs (rms) während Dauer der Messung ~ 1h ! FEL: ~20 fs, 13.8 nm Opt. laser: 120 fs, 800 nm M.Meyer at al., Phys. Rev. A 74, 011401 (2006), M.Meyer et al. P.Radcliffe et al., Appl. Phys. Lett. 90, 131108 (2007) Rolf Treusch, DESY-FS FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 Photodissoziation eines H2-Moleküls Direkte Ionisation des H2 mit FEL „Abtastung“ über H* mit opt. Laser Scan from -1.5 ps to few 10 ns Lebensdauer des H* ~ 10 ns M.Meyer et al. Erste Demonstration kohärenter Röntgenbeugung (H.Chapman, J.Hajdu) mit einem FEL Rolf Treusch, DESY-FS FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 „Laserblitze im Nanokosmos“ 1 micron SEM der Ionenstrahlgeätzten Struktur in Siliziumnitrid-Membran 2. Schuss mit voller Leistung Rekonstruiertes Bild, beugungsbegrenzte Auflösung erreicht ! Wellenlänge = 32 nm 1. Schuss mit voller Leistung 1 micron H.N.Chapman et al., Nature Physics 2, 839-843 (2006) Rolf Treusch, DESY-FS FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 5 Folien zu den Beugungsexperimenten an Pikoplankton, etc. musste ich leider hier weglassen, um ihre demnächst erfolgende Veröffentlichung nicht zu gefährden. Auf Wunsch kann man von mir einen Papierausdruck davon bekommen. Rolf Treusch, DESY-FS FLASH Schichtgänger-Ausbildung, 12. Oktober 2007 FLASH: unser Lichtblick in die pulsierende Nanowelt
