Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4107
Main Title: Cluster-light interaction and imaging of cluster growth processes
Translated Title: Cluster-Licht Wechselwirkungen und Abbildungen des Clusterwachstums
Author(s): Adolph, Marcus
Advisor(s): Möller, Thomas
Referee(s): Möller, Thomas
Laarmann, Tim
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In dieser Arbeit wird der Wachstumsprozess von Edelgasclustern und deren Wechselwirkung mit hochintensiver Röntgenstrahlung untersucht. Experimente am "Freie Elektronen Laser in Hamburg" (FLASH) ermöglichten durch die kohärente Strahlung und die kurze Wellenlänge im Vakuumultravioletten die für die Untersuchung der Wachstumsdynamik von Clustern wichtigen Abbildungen einzelner Cluster. Die Erschließung des Regimes der harten Röntgenstrahlung durch die "Linac Coherent Light Source" (LCLS) erlaubte die Untersuchung der Ionisationsdynamik von Kryptonclustern in diesem Regime. Zur statistischen Datenaufarbeitung und Auswertung wurden für beide Experimente speziell angepasste Computerprogramme entwickelt. Die Messsoftware "FoxIT" konnte darauf basierend entwickelt werden. "FoxIT" verwendet Multithreading sowie ein auf HDF5 basierendes Dateiformat zur effektiven Bündelung der Messdaten. Die Software kann somit die Steuerung und Datenerfassung zukünftiger Streuexperimente vereinfachen. In den am FLASH durchgeführten Experimenten wurde die Methode zur Einzelclusterstreuung weiterentwickelt. Die Integration von Invakuum-Motoren zur Spiegeljustage sowie die Installation eines Flugzeitmassenspektrometers zur Charakterisierung der Fokusintensität ermöglichten erhöhte Präzision bei der Justierung und damit Messungen bei höherer Photonendichte in der Interaktionszone. Somit konnten weitere Optimierungen der Positionen der Streulichtdetektoren durchgeführt werden, was in verbessertem Kontrast der Einzelcluster-Streubilder und somit einer verbesserten Auflösung der Streuexperimente resultierte. Auf diese Weise ließ sich aus den Streudaten eine Größenverteilung der Cluster im Clusterstrahl bestimmen, die sich mit den Skalierungsgesetzen der Clusterphysik vergleichen ließ. Mithilfe der erweiterten Messapparatur konnte das für die Clusterbildung wichtige Verschmelzen von einzelnen Clustern zu einem Zwillingscluster abgebildet werden. Basierend auf der Temperaturänderung der Cluster wurde ein Modell entwickelt, welches diese Bildung von Zwillingsclustern erklärt. Das Modell diente als Grundlage für die Erstellung einer Computersimulation des Wachstumsprozesses, die gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen zeigt. Die kurze Wellenlänge des FEL-Lichts an der LCLS, dem ersten FEL für harte Röntgenstrahlung, erlaubt die Untersuchung immer kleinerer Strukturen und ist daher ein weiterer Schritt auf dem Weg zur Entwicklung abbildender Verfahren bis hin zu atomarer Auflösung. In dieser Arbeit ist die Ionisationsdynamik von Edelgasclustern bei diesen Photonenenergien untersucht worden. Die Analyse der Wechselwirkung an der Krypton L-Kante bei 1.7 keV mit der Einzelclusterstreumethode zeigt, dass die Ionisation nur schwach von der Photonenenergie abhängt. Dies kann durch eine nahezu vollständige Sättigung der Absorption des Clusters erklärt werden. Eine Kombination der Einzelcusterstreuung mit Flugzeit-Spektroskopie ermöglichte Ionenspektroskopie an einzelnen Clustern. Bei diesen Koinzidenzmessungen konnten extrem hoch geladene Fragmente von Kryptonclustern sowie das Fehlen von niedrig geladenen Rekombinationsprodukten nachgewiesen werden. Dies deutet auf einen effizienten Erhitzungsprozess des Nanoplasmas hin, welcher die Rekombinationen innerhalb des Plasmas stark unterdrückt. Diese im Experiment gewonnen Erkenntnisse können somit die Basis für weitere theoretische Betrachtungen auf der Basis von Plasmasimulationen bilden.
This work presents findings on the growth process of rare gas clusters and their interaction with highly intense x-ray radiation. Using the "Freie Elektronen Laser in Hamburg" (FLASH), a light source producing coherent electromagnetic radiation with a short wavelength in the vacuum ultraviolet (VUV) regime, studies of the growth dynamics of single particles on the nanometer scale were performed on a single shot basis. The Linac Coherent Light Source (LCLS) opened the hard x-ray regime as a new range of the electromagnetic spectrum available for the study of ionization dynamics of krypton clusters. In order to realize statistic preparation and analysis of the data a variety of especially designed computer programs were developed. Additionally, the data acquisition software FoxIT has been developed based on a multi-threading concept introducing a HDF5 based file format of high storing performance. FoxIt will help simplify data acquisition for future imaging experiments at FLASH. For experiments performed at FLASH the experimental setup was improved by including in-vacuum motorization of the back focusing mirror in combination with a build-in time-of-flight ion detector for the online characterization of the focal spot. With these modifications the peak power density of the FEL could be used more effectively. As a result, the contrast in the scattering patterns could be increased, enhancing the resolution limit of the scattering images. The image quality was further improved by an optimization of the detectors’ positions. The upgraded setup enabled the determination of the cluster size distribution in the cluster beam with single cluster scattering patterns, allowing comparison to well established scaling laws. In addition, the setup enabled imaging of the process of two clusters coalescing and forming a twin cluster during cluster growth. Based on analysis of the cluster temperature, a theoretical model was developed, describing the formation of twin clusters. This model was tested using a numerical computer simulation of the growth process, which shows good agreement with the experimental data. The worlds first free-electron laser (FEL) for the hard x-ray regime, the LCLS, allows in-depth studies of smaller structures due to it's short wavelength. The research presented here discusses the ionization dynamics of rare gas clusters with x-rays. The interaction between the highly intense x-ray radiation and the clusters has been investigated at the krypton L-absorption edge at 1.7 keV. Using single cluster scattering techniques it was found that the ionization efficiency is virtually independent of the excitation energy with respect to the L-edge. This can be explained with the almost complete saturation of the absorption of the cluster. A combination of single cluster scattering with time-of-flight ion spectroscopy is presented enabling single cluster ion spectroscopy. These coincidence measurements reveal extremely high charged krypton ions while low charged residuals from recombination processes are almost absent. The experimental findings give evidence to an efficient heating mechanism of the plasma suppressing recombination. These results can be of great help for future plasma simulations discussing the development of the laser-induced nanoplasma on a theoretical basis.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-54293
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4404
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4107
Exam Date: 19-Jun-2014
Issue Date: 14-Jul-2014
Date Available: 14-Jul-2014
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Clustergrößenbestimmung
Modellierung von Clusterkoagulation
Röntgenlicht-Materie- Wechselwirkung
Streuung an Einzelclustern
Streuung mit Freien Elektron Lasern
Cluster coagulation modeling
Cluster size determination
Free electron laser scattering
Single cluster imaging
X-ray light-matter interaction
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/
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