Kurzfassung
Ultraschnelle Molekulardynamik spielt sich auf Femtosekunden-Zeitskalen ab und erzeugt häufig mehrfach geladene Fragmente, deren korrelierte Impulse transiente Molekülstrukturen kodieren. Der Zugang zu diesen Informationen an modernen Lichtquellen mit hohen Repetitionsraten stellt eine grundlegende experimentelle Herausforderung dar: Konventionelle Velocity-Map-Imaging-Spektrometer (VMI) basieren auf bildratenlimitierter CCD-Detektion, wodurch die simultane Erfassung mehrerer Massen verhindert, Koinzidenzmessungen bei hohen Zählraten unterdrückt und der quantitative Zugang zu korrelierten Fragmentierungsdynamiken eingeschränkt wird.
Diese Arbeit zeigt, wie ereignisaufgelöste Impulsbildgebung einen direkten Zu-gang zu korrelierten ultraschnellen Dynamiken in wasserstoffgebundenen Systemen ermöglicht. Bei der Anwendung auf das Wasserdimer (H2O)2, eine fundamentale atmosphärisch relevante Spezies und repräsentativer wasserstoffgebundener Kom-plex, konnten mittels simultaner Mehrfachmassendetektion dreizehn Ionen-Radikal-Fragmentierungskanäle identifiziert werden, darunter sechs bislang nicht berichtete. Dies belegt eine deutlich reichhaltigere Dissoziationslandschaft als in früheren Stu-dien angenommen. Erweiterungen dieses Ansatzes auf kinetisch-energieaufgelöste Kovarianzmessungen zeigen zudem energieabhängige Protonentransfer- und Ionen-Radikal-Bildungsdynamiken und ermöglichen direkte Einblicke in die ultraschnelle Energieumverteilung in ionisierten Wasserstoffbrücken-Netzwerken.
Die Methodik wurde unter High-Flux-Bedingungen am Freie-Elektronen-Laser Ham-burg (FLASH) weiter validiert, wo schussaufgelöste dreidimensionale Ionenim-pulsverteilungen bei 250 kHz ohne symmetriebasierte Rekonstruktion aufgezeichnet wurden. Anschließend wurde sie auf die Coulomb-Explosions-Bildgebung von CS2 nach ortsselektiver Weichröntgenionisation angewendet, wobei transiente gebogene und gestreckte Geometrien während der Dissoziation aufgelöst wurden.
Parallel dazu ermöglichte die Entwicklung einer photonenkristallfaserbasierten Vakuum-Ultraviolett-Quelle (VUV) winkelaufgelöste Photoemissionsmessungen am topol-ogischen Isolator Bi2Se3, wobei dessen Dirac-Kegel-Oberflächenzustandsdispersion mit einem Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufgelöst wurde, das mit etablierten Metho-den vergleichbar ist. Obwohl dieser Ansatz von den molekularen Untersuchungen getrennt ist, etabliert er eine kompakte VUV-Plattform, die mit zeitaufgelöster Pho-toemission und Einzelphotonenionisation kompatibel ist.
Diese Fortschritte werden durch die Integration hybrider, ereignisgesteuerter Timepix-Pixeldetektoren in die VMI-Instrumentierung ermöglicht. Die Zeitstempelung einzel-ner Teilchen im Nanosekundenbereich erlaubt simultane Mehrfachmassendetektion, hohe Multi-Hit-Fähigkeit und kontinuierliche Datenerfassung über die intrinsischen Grenzen CCD-basierter Systeme hinaus. Die systematische Charakterisierung der De-tektorantwort unter High-Flux-Bedingungen führt zu einem verfeinerten Modell der Multi-Hit-Energiedeposition, wodurch die quantitative Genauigkeit um bis zu 70% gesteigert und eine robuste Leistung in diesem Betriebsregime gewährleistet wird.
Zusammen transformieren diese Entwicklungen VMI von einer einzelmassen- und bil-dratenlimitierten Technik zu einer skalierbaren, multiparametrischen Bildgebungsplat-tform für quantitative Impulsmessungen mit hohem Durchsatz. Durch die Verbindung von Detektorinnovation mit konkreten physikalischen Anwendungen erweitert diese Arbeit VMI in Richtung Reaktionsmikroskop-Funktionalität und vergrößert das Spek trum ultraschneller molekularer und elektronischer Dynamiken, das an Lichtquellen der nächsten Generation zugänglich ist.
Abstract Ultrafast molecular dynamics unfold on femtosecond timescales and often produce multiple charged fragments whose correlated momenta encode transient molecular structure. Accessing this information at modern high-repetition-rate light sources poses a fundamental experimental challenge: conventional velocity-map imaging (VMI) spectrometers rely on frame-based CCD detection, precluding simultaneous multi-mass acquisition, suppressing coincidence measurements at high count rates, and limiting quantitative access to correlated fragmentation dynamics. This thesis demonstrates how event-resolved momentum imaging enables direct ac-cess to correlated ultrafast dynamics in hydrogen-bonded systems. Applied to the water dimer ((H2O)2), a representative example of such systems and fundamental atmospheric species, simultaneous multi-mass detection identified thirteen ion-rad-ical fragmentation pathways-six previously unreported-demonstrating a substan-tially richer dissociation landscape than earlier studies suggested. Recent extensions of this approach to kinetic-energy-resolved covariance measurements further uncover energy-dependent proton-transfer and ion-radical formation dynamics, providing di-rect insight into ultrafast energy redistribution in ionized hydrogen-bonded networks. The methodology was further validated under high-flux conditions at the Free Elec-tron Laser Hamburg (FLASH), where shot-resolved three-dimensional ion momen-tum distributions were recorded at 250 kHz without reliance on symmetry-based reconstruction. It was subsequently applied to Coulomb explosion imaging of CS2 following site-selective soft X-ray ionization, resolving transient bent and stretched geometries during dissociation. In parallel, the development of a photonic-crystal-fiber-based vacuum ultraviolet source enabled angle-resolved photoemission measurements of the topological in-sulator Bi2Se3, resolving its Dirac-cone surface-state dispersion with signal-to-noise ratios comparable to established methods. Although distinct from the molecular studies, this demonstration establishes a compact VUV platform compatible with time-resolved photoemission and single-photon ionization experiments. These advances are enabled by integrating hybrid pixel, event-driven Timepix detec-tors into VMI instrumentation. Nanosecond-scale timestamping of individual parti-cles permits simultaneous multi-mass detection, high-rate multi-hit capability, and continuous acquisition beyond the intrinsic limitations of CCD-based systems. Sys-tematic characterization of detector response under high-flux conditions yields a re-fined model of multi-hit energy deposition, improving quantitative accuracy by up to 70% and ensuring robust performance in this regime. Together, these developments transform VMI from a single-mass, frame-limited tech-nique into a scalable, multi-parameter imaging platform capable of quantitative, high-throughput momentum measurements. By uniting detector innovation with concrete physical applications, this work advances VMI toward reaction-microscope function-ality and substantially broadens the range of ultrafast molecular and electronic dy-namics accessible at next-generation light sources.