Beam Diagnostics and Spectroscopy at X-ray Free Electron Lasers

Abstract

The demands to the FEL X-ray optics are extremely high. They must be able to preserve the properties of the new sources as good as possible; speaking not only of the enormous photon density per time, but also of coherence and extremely low divergence, generated by the FELs. This occurs at pulse repetition rates in the range of up to several kHz. Such high-energy pulses in the GW range pose the question of whether the used optics is able to withstand these conditions (for a longer time). Possible applications and limitations of modern optics such as reflection zone plates are investigated and demonstrated here. The present work involves both simulation and experimental tests. It is divided into four sub-projects. Each one describes the different states of the FEL. The first sub-project with the European XFEL GmbH in Hamburg includes the commissioning of the FEL. Here, two different methods for the precise adjustment of the undulator segments of the long FEL undulators (200 m) are presented, by measuring the so-called K-parameter, magnet field strength in the undulator, the product of magnet field and period length of a magnetic structure. For that, a 2- or 4-crystal monochromator is used, which is able to determine the K-parameters with an accuracy of 10-4 to 10-6. The proposed methods were successfully demonstrated using undulator radiation at the PETRA III facility. The second sub-project with European XFEL is dedicated to the measurement of the spectral parameters of the actual resulting FEL radiation from pulse to pulse, single-shot spectroscopy. For this purpose, various methods have been investigated that can register the spectral response with sufficiently high precision. It was thereby demonstrated that resolutions down to 3.2 meV at the pulse energy of 10 keV are feasible. In a third project, with LBNL in Berkeley and at LCLS in Stanford, a new spectroscopic setup was implemented, which is able to detect the fluorescence spectra from highly diluted elements under interaction of FEL X-ray pulses with a liquid jet in vacuum. The signals, previously not measurable due to low intensity in the complex context of photosynthesis spectroscopy were observed. The system development and a successful improvement are presented. The fourth project describes an X-ray transport line coupled with a spectrometer for conducting cross-dispersive resonant inelastic X-ray spectroscopy (RIXS) experiments. This is theoretically examined as a case-study. With this apparatus it is possible to achieve an energy resolution of E/DE ≈ 30,000 in the soft X-ray regime (776 eV as an example) at simultaneous recording of the absorbed and emitted radiation, which will enable a new class of fundamental research using RIXS experimental studies.

Die Anforderungen an die FEL Röntgen-Optiken sind extrem hoch. So müssen sie in der Lage sein, die Eigenschaften der neuen Quellen bestmöglich zu erhalten. Dabei sprechen wir nicht nur von den enormen Photonendichten pro Zeit, sondern ebenso von Kohärenz und extrem geringer Divergenz, die FELs erzeugen. Eigenschaften der neuesten Quellen wie Pulswiederholungsraten im Bereich mehrerer kHz und hochenergetische Pulse im Gigawatt-Bereich werfen ebenso die Frage auf, ob die verwendeten Optiken im Stande sind, diesen Bedingungen unbeschadet für längere Zeit Stand zu halten. Mögliche Anwendungen, sowie Grenzen der modernen Optiken, mit besonderem Augenmerk auf Reflektionszonenplatten, werden hier untersucht und aufgezeigt. Die vorliegende Arbeit beinhaltet sowohl Simulations- als auch experimentelle Ergebnisse. Sie ist in 4 Teilprojekte untergliedert. Ein jedes beschreibt Anwendungen in verschieden Status des FEL. Das erste Teilprojekt mit der European XFEL GmbH in Hamburg beinhaltet die Inbetriebnahme des FEL. Dabei werden 2 verschiedene Methoden zur präzisen Justage der Segmente der langen FEL-Undulatoren (ca. 200 m) durch Messung des sogenannten K-Parameters vorgestellt. Dafür wird ein 2- bzw. 4-Kristall-Monochromator eingesetzt, der in der Lage ist, den K-Parameter mit einer Genauigkeit von 10-4 bis 10-6 zu bestimmen, um die spontane Strahlung zu untersuchen. Die vorgeschlagenen Methoden zeigten sich bei Experimenten an PETRA III als erfolgreich durchführbar. Das zweite XFEL-Teilprojekt widmet sich der Spektroskopischen Messung der FEL-Strahlung von Puls zu Puls, der sogenannten Einzelschuß- Spektroskopie. Hierfür wurden verschiedene Methoden vorgestellt, die die vorhandenen Änderungen des Spektrums jedes einzelnen Schusses mit genügend hoher Präzision registrieren können. Es konnte dabei gezeigt werden, dass Energieauflösungen bis zu 3,2 meV bei 10 keV Photonenenergie möglich sind. In einem dritten Projekt mit LBNL in Berkeley am LCLS in Stanford wurde ein neuartiges Spektroskop realisiert, das in der Lage ist, das Fluoreszenzspektrum von Elementen in höchstverdünnten Lösungen, unter Nutzung von Wechselwirkung von FEL-Pulsen mit einem Flüssigkeitsstrahl, im Vakuum zu detektieren. Aufgrund zu geringer Intensität bisher unmessbare Signale im komplexen Zusammenhang der Photosynthese konnten spektroskopisch erfasst werden. Die umfassende Systementwicklung und eine erfolgreiche Verbesserung werden vorgestellt. Im letzten Projekt wird ein Röntgenstrahlrohr, direkt verbunden mit Spektrometer zur Messung resonanter, unelastischer Röntgenstrahlung (RIXS) theoretisch als Fallstudie untersucht. Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, eine Energieauflösung von E/DE ≈ 30000 im weichen Röntgenbereich (bei 776 eV als Beispiel), bei gleichzeitiger Aufnahme der absorbierten und der emittierten Strahlung, zu erlangen, was eine neue Klasse von Experimenten im Bereich der Grundlagenforschung mit RIXS-Studien ermöglichen wird.