Kurzfassung
The study of condensed matter dynamics on ultrafast timescales is one of the key topics in modern material science research. Hard X-ray free-electron laser sources with extreme peak brightness and ultra short pulses provide excellent conditions for studying ultrafast dynamics in the time domain by employing such techniques as X-ray pump-probe spectroscopy or X-ray photon correlation spectroscopy. However, the intrinsic time structure of FEL sources limits the investigated timescales to 0.2 microseconds or slower. One way of overcoming this limitation is split-and-delay technology. This work presents a new concept for a compact hard X-ray split-and-delay device, enabling such experiments at X-ray FEL sources. The device is designed to split a single X-ray pulse into two fractions introducing time delays from -5 to 815 ps. Accessing such timescales allows to push studies of ultrafast dynamics beyond the intrinsic temporal limit of the X-ray source. The split-and-delay unit is based on Bragg optics and modern technologies for mechanics. Having a compact portable design with dimensions of 60x60x30 cm and a weight of about 60 kg allows to install the device in basically any experimental hutch of a FEL source. The split-and-delay line utilizes a combination of various silicon Bragg optics, arranged in various configurations, enabling the operation in the energy range from 7 to 16 keV. The quality of the beam splitting optics is checked by X-ray topography measurements. A novel method for the split-and-delay line alignment and time delay calibration using a infrared laser setup is developed and successfully used. The infrared setup allows a temporal pre-alignment with a precision better than 22 ps without the need for X-rays. The performance of the split-and-delay setup is checked by measuring the throughput and the delay times with the use of Si(111), Si(220) and Si(422) optics at 7 keV and 9 keV photon energies. Delay times are measured, ranging from 130 ps to 716 ps. The average uncertainty of measured delay times is 16.2 ps. The results show, that ultrafast pump-probe or XPCS experiments can be carried out with the compact split-and-delay line.
Die Messung der Dynamik kondensierter Materie auf ultraschnellen Zeitskalen ist eines der Schlüsselthemen in der modernen Erforschung der Materialwissenschaften. Heutzutage ermöglichen Freie Elektronen-Laser (FEL) mit extremer Spitzenbrillianz und ultrakurzen Pulsen ultraschnelle Dynamik in der Zeitdomäne zu studieren, indem Methoden wie die Pump-Probe-Spektroskopie oder die Röntgen-Photon-Korrelations-Spektroskopie verwendet werden. Jedoch ist der Untersuchungszeitraum aufgrund der intrinsischen Zeitstruktur von FEL-Quellen auf 0.2 Mikrosekunden oder langsamer eingeschränkt. Die Split-and-Delay-Technologie ist eine Möglichkeit, diese Einschränkung zu überwinden. In dieser Arbeit wird ein neues Konzept einer kompakten split-and-delay-Einheit für harte Röntgenstrahlen präsentiert, mit dem Experimente an Röntgen FEL-Quellen durchgeführt werden können. Diese Einheit ist in der Lage einen einzelnen Röntgenpuls in zwei Pulse zu spalten, um Laufzeitunterschiede von -5 ps bis 815 ps zwischen den beiden Pulsen herbeizuführen. Diese Zeitskalen erlauben es ultraschnelle Dynamik jenseits von intrinsisch zeitlichen Einschränkungen der Röntgenquelle durchzuführen. Die split-and-delay-Einheit basiert auf Bragg-Röntgenoptik und modernen Technologien für die Mechanik. Das portable und kompakte Design von 60x60x30 cm und das Gewicht von ungefähr 60 kg erlaubt es, das Gerät in beliebigen experimentellen Aufbauten einer FEL-Quelle zu installieren. Die split-and-delay-Einheit nutzt einen Kombination von unterschiedlichen Silizium-Bragg-Optiken in verschiedenen Konfigurationen, die einen Betrieb im Bereich Röntgenenergie von 7 keV bis 16 keV ermöglichen. Die Qualität der Strahlaufteilungs-Optiken wird in Röntgen-Topografie-Messungen geprüft. Die neuartige Methode der split-and-delay-Anordnung und die Kalibrierung der Laufzeitunterschiede mit einem Infrarot-Laser-Aufbau wird entwickelt und erfolgreich eingesetzt. Dieser Infrarot-Laser-Aufbau ermöglicht die zeitliche Voreinstellung ohne Röntgenstrahlen mit einer Genauigkeit von weniger als 22 ps. Die Leistung des split-and-delay–Aufbaus wird in Messungen der Transmission und Laufzeitunterschiede mit Si(111)-, Si(220)- und Si(422)-Optiken bei Photonenenergien von 7 keV und 9 keV durchgeführt. Die Laufzeitunterschiede reichen von 130 ps bis 716 ps. Die durchschnittliche Unsicherheit der gemessenen Laufzeitunterschieden beträgt 16.2 ps. Die präsentierten Messungen demonstrieren, dass ultraschnelle Pump-Probe oder XPCS-Experimente mit der kompakten split-and-delay-Einheit durchgeführt werden können.