Kurzfassung
Die Nutzung der Röntgenstrahlung von freien-elektronen Lasern verspricht die drei dimensionalen Struktur von einzelnen Biomolekülen, wie Proteinen oder Viren zu bestim- men. Um dabei atomare Auflösung erreichen zu können sind sehr viele Beugungsbildern identischer Teilchen notwendig. Durch experimente an einzelnen Teilchen können dabei die üblichen Nachteile, wie die Notwendigkeit von kristallinen Strukturen umgangen werden. Aktuell limitiert dabei noch Probenufbau, typischerweise ein Aerosolinjektors der verantwortlich dafür ist die Probe in Form eines Molekühlstrahls bereit zu stellen, die Effizienz dieser Experimente. Der Molekühlstrahl weßt nicht die ausreichende Teilchen- dichte auf, die notwendig wäre um im Schnitt ein einzelnes Teilchen im Fokus des Röntgen- strahles zu haben. Im Zuge dieser Dissertation werden mehrere Verbesserungen, entweder an dem Probenaufbau selbst, oder an dem Characterisierungsschema, das genutzt wird um diesen Aufbau zu Optimieren, vorgestellt. Ein neues Simulationskonzept für die Berechnung von Teilchentrajektorien durch Aerosolinjektoren wurde aufgesetzt. Dabei sind die Simulationen nicht mehr auf empirisch bestimmte Werte angewiesen und somit auch nicht mehr in der Anwendbarkeit auf bestimmte Konditionen, wie zum Beispiel Raumtemperatur, beschränkt. Diese Simulation sind in der Lage Messungen von einem aktuellen Aerodynamischen Linsen System zu beschreiben. Zudem können sie Messdaten reproduzieren, die für Injektoren aufgenommen wurden, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und gebaut wurden. Einer dieser neuen Injektoren is ein Aerodynamisches Linsen System angepasst an die Bedürfnisse von Röntgenbeugungsexperimenten. Es verfuugt über einen Schnellverschluss und erlaubt schnell die Geometrie zu welchseln. Der zweite Injektor is eine Puffergaszelle die mit Helium bei Temperaturen von 4 K arbeitet und schockgefrorene Probem bereitstellt. Zudem wurde eine Methode konzip- iert und demonstriert um Drücke an unterschiedlichen Positionen an der Spitze eines Aerosolinjektors zu messen.
Single-particle diffractive imaging at x-ray free-electron lasers is a promising technique for reconstructing the three dimensional structure of biomolecules such as proteins or viruses, avoiding drawbacks of conventional diffractive imaging methods, such as the need of crystalline sample. In order to achieve atomic resolution a huge amount of diffraction patterns of identical particles, ideally in gas phase are needed. Currently such experiments are limited, amongst other things, by the sample delivery set-up, typically aerosol injectors, not providing the densities necessary, to have on average a single particle in the x-ray focus. Within this dissertation, several improvements either of the delivery set-up itself, or of the characterization scheme used to optimize aerosol injectors are presented. A new simulation framework for the computation of particle trajectories through aerosol injection set-ups was developed to not only be limited by empirically derived values for specific conditions, e. g., room temperature, but to be general applicable to particles in rarefied gases. These simulations are able to reliably describe density measurements of a current aerodynamic lens stack injector. Also they are able to reproduce data measured for injection devices, developed and build within the scope of this work. These new injectors are an aerodynamic lens stack tailor made for the needs of single- particle diffractive imaging experiments with a quick release mount allowing for fast adoption of the geometry and a buffer gas cell using helium at a temperature of 4 K and providing shock frozen sample. In addition a method to measure pressure maps at the tip of an aerosol injector within a vacuum chamber was developed and demonstrated.