Kurzfassung
Ein zweifarben Pump-Probe-Experiment ist für die Untersuchung komplexer chemischer Reaktionen und Elektronendynamik in Quantensystemen unerlässlich. Um dies am European XFEL zu ermöglichen, wurde eine magnetische Schikane (MC) zwischen den Undulatoren installiert, um den Elektronenstrahl abzulenken; die alleinige Verwendung der MC ermöglicht generell jedoch keine zeitliche Verzögerung von Null zwischen den beiden Pulsen von unterschiedlicher Wellenlänge. Die X-ray Optical Delay Line (ODL) wurde entwickelt, um abstimmbare zeitliche Verzögerungen (positiv, null und negativ) und einstellbareWellenlängen in Pump-Probe-Experimenten zu ermöglichen. Die ODL besteht aus vier planen Spiegeln aus B4C (50 nm) auf einem Si-Substrat, die den Photonenstrahl ablenken und parallel zu der magnetischen Schikane installiert werden sollen. Die Spezifikationen der ODL, sowohl aus mechanischer als auch aus optischer Sicht, werden detailliert beschrieben und durch Simulationen der Wellenfrontausbreitung, Strahlverfolgung und Finite-Elemente-Analyse (FEA) unterstützt, um seine Leistung vorherzusagen.
Der erste Spiegel des ODL verfügt über einen feinmotorisierten Mechanismus für die Drehung um die Längsachse, während der vierte Spiegel motorisierte Bewegungen für die Längsachse, die Querachse und die Hochachse aufweist. COMSOL Raytracing Simulationen bestätigen, dass diese motorisierte Bewegung für die Ausrichtung der Spiegel ausreichend ist. Der erste Spiegel ist wassergekühlt, um übermäßige Hitze zu vermeiden und die spontane Hintergrundstrahlung zu reduzieren. Die Wärmebelastung und die mechanische Struktur verursachen auf dem ersten Spiegel (M1) eine Erhebung von 9.5 nm, wie Simulationen ergaben. Die Qualität der Spiegeloberflächen wurde mit einem Fizeau-Interferometer gemessen. Die Rauheit wurde vor und nach der Beschichtung mit einem Weißlichtinterferometer gemessen. SRW-Wellenfrontsimulationen zeigten außerdem, dass die Spiegel eine ausgezeichnete Qualität aufweisen und der Strahl dadurch nicht beeinträchtigt wird.
Der European XFEL arbeitet mit einer Repetitionsrate von bis zu 4.5MHz und einer Pulsdauer von Femtosekunden, was die Haltbarkeit der Spiegel sowohl unter Einzel- als auch unten 'Multipuls-Bedingungen' vor Herausforderungen stellt. Wir berechneten die Energiedosis für Einzelschussschäden und stellten fest, dass die Nutzer bei höheren Energien einige Undulatoren vor dem ODL öffnen sollten, um Schäden zu vermeiden. Für Multipuls-Bedingungen wurde mit COMSOLWärmeübertragungssimulationen die akkumulierte Temperatur im Laufe der Zeit bewertet.
Um den Bedenken hinsichtlich einer Beschädigung Rechnung zu tragen, führten wir Experimente am SQS-Instrument durch, um die Schadensschwellen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Fluenzschwelle für die Beschädigung von B4C (50 nm)/Si-sub bei 1 keV und einem Einfallswinkel von 9 mrad bei 0.34 µJ/µm2 liegt, verglichen mit 0.16 µJ/µm2 für unbeschichtetes Silizium, was die Vorteile von B4C als Beschichtung unterstreicht. Bei den Experimenten wurden Einfallswinkel von 9, 15 und 19 mrad erfasst, was zur Messung einer Elektronenkollisionslänge von 8,6nm führte, was auf einen verbesserten Wärmetransport durch das Material und eine höhere Zerstörungsschwelle hinweist. Diese Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung widerstandsfähigerer optischer Komponenten in XFEL-Anlagen.
Darüber hinaus wurden Monte-Carlo-Simulationen und COMSOL-Simulationen durchgeführt, um die Tiefe des Energieeintrags und die Temperaturprofile über die Zeit und die Tiefe im Material abzuschätzen. Es wurde ein Sicherheitsdiagramm mit sicheren Betriebsparametern für künftige ODL-Benutzer erstellt, das Betriebsgrenzen auf der Grundlage von Photonenenergie und Pulsenergie angibt, um Entscheidungen über das Öffnen von Undulatoren zu erleichtern und Spiegelschäden zu vermeiden.
A two-color pump-probe experiment is essential for investigating complex chemical reactions and electronic dynamics in quantum systems. To facilitate this at the European X-ray Free Electron Laser (EuXFEL), a Magnetic Chicane (MC) was installed between the undulators to deflect the electron beam; however, using only the MC does generally not allow for zero and negative temporal delay between the two pulses of different wavelengths. The X-ray Optical Delay Line (ODL) was developed to provide tunable temporal delays (positive, zero, and negative) and adjustable wavelengths in pump-probe experiments. The ODL consists of four flat mirrors made of B4C (50 nm) on a Si substrate, designed to deflect the photon beam and will be installed parallel to the Magnetic Chicane. The specifications of the ODL, both from mechanical and optical perspectives, are detailed, supported by wavefront propagation, ray tracing, and finite element analysis (FEA) simulations to predict its performance. The first mirror of the ODL features a fine motorized pitch rotation mechanism, in addition to the fourth mirror, which includes motorized pitch, roll, and vertical movements. COMSOL ray tracing simulations confirm that this motorized movement is adequate for aligning the mirrors. The first mirror is water-cooled to mitigate excessive heat and reduce spontaneous background radiation. The heat load and mechanical structure causes a bump of 9.5nm on the first mirror (M1), based on simulations. The quality of the mirror surfaces was measured using a Fizeau interferometer. The roughness was assessed before and after coating using a White Light Interferometer. SRW (Synchrotron Radiation Workshop) wavefront propagation simulations further demonstrated that the mirrors maintain excellent quality, resulting in no degradation of the beam. The European XFEL operates at a repetition rate of up to 4.5MHz with femtosecond pulse duration, presenting challenges for mirror durability under both single-shot and multi-pulse conditions. The absorbed dose was calculated for singleshot damage and determined that for higher pulse energies, users should open some undulators upstream of the ODL to prevent damage. For multi-pulse conditions, COMSOL heat transfer simulations assessed the accumulated temperature over time. To address damage concerns, experiments were conducted at the SQS instrument to investigate the damage thresholds. Results indicated that the fluence threshold for single-shot damage of B4C (50 nm)/Si-substrate at 1 keV and a grazing angle of 9 mrad is 0.34 µJ/µm2, compared to 0.16 µJ/µm2 for uncoated silicon, highlighting the advantages of B4C as a coating. The experiments covered grazing angles of 9, 15, and 19 mrad, resulting in measuring an electron collision length of 8.6 nm, indicating enhanced heat transport through the material and increased damage thresholds. These findings offer critical insights for designing more resilient optical components in XFEL facilities. Additionally, Monte Carlo and COMSOL simulations were performed to estimate the energy deposition depth and temperature profiles over time and depth within the material. A safety diagram outlining safe operating parameters for future ODL users was created, indicating operating limits based on photon energy and pulse energy to guide decisions on opening undulators and prevent mirror damage.