Kurzfassung
Freie-Elektronen-Laser (FELs) haben neue Bereiche für wissenschaftliche Untersuchungen eröffnet und ermöglichen Experimente im Bereich der Wechselwirkung von Materie mit intensiven Laserfeldern im Röntgenbereich. Die von FELs erzeugten kurzen Lichtpulse besitzen extreme Spitzenleuchtstärken, die jene von Synchrotrons um mehrere Größenordnungen übersteigen. Der erste FEL für den Bereich weicher Röntgenstrahlung ist der Freie-Elektronen-Laser FLASH am DESY in Hamburg. Er erzeugt einige zehn bis wenige hundert Femtosekunden lange Lichtpulse im Wellenlängenbereich zwischen 4 nm und 90 nm mit Pulsrepetitionsraten von bis zu 1 MHz im sogenannten Multi-Bunch-Modus. Die extrem hohen Photonenflüsse und Leuchtstärken werden durch die selbstverstärkte spontane Emission des „SASE“-Prozesses erzeugt. SASE-Strahlung zeigt statistische Schwankungen bei allen Strahlparametern, wie zum Beispiel der mittleren Wellenlänge, die um etwa 1 % von Schuss zu Schuss schwankt. Dies führt zu Unsicherheiten in Einzelschussspektren und verringert die Auflösung und Aussagekraft gemessener Spektren. Insbesondere bei der spektralen Untersuchung sehr dünner Proben, die selbst an einem FEL eine Mittelung über viele Einzelschüsse benötigen, begrenzt die Fluktuation der Wellenlänge die Auflösung und den Erkenntnisgewinn der Spektren.
Die grundlegende Idee des hier präsentierten Projektes ist die Erhöhung der Auflösung spektraler Photoemissionsdaten durch eine parallele Messung der Pulsspektren im Multi-Bunch-Modus. Eine Auswahl oder Sortierung der Photoemissionsspektren nach der mittleren Wellenlänge der entsprechenden FEL-Pulse kompensiert die Wellenlängenschwankungen und erhöht die Auflösung der Photoemissionsspektren. Dafür wurde ein kompaktes Gitterspektrometer für den Wellenlängenbereich von 1 nm bis 50 nm designt und gebaut. Die benötigten Detektoren mit hohen Auslesegeschwindigkeiten von 1 MHz oder mehr und ortssensivem Sensor, die zudem keine Einschränkungen in ihren Integrationseigenschaften oder der Erfassung von Mehrfachereignissen besitzen, befinden sich derzeit in Entwicklung. Einer dieser Detektoren ist der GOTTHARD-Detektor, der vom Paul Scherrer Institut und dem DESY entwickelt wurde und alle Voraussetzungen für die Schuss-zu-Schuss-Wellenlängenspektroskopie an FLASH erfüllt.
Diese Arbeit beschreibt den Aufbau und die Ergebnisse der Kommissionierung und Messungen des Spektrometers, das mit dem GOTTHARD-Detektor kombiniert wurde. Erstmalig wurden damit Wellenlängenspektren einzelner FEL-Pulse bei den hohen Pulsrepetitionsraten des Multi-Bunch-Modus von FLASH aufgenommen und anschließend verwendet um die Schuss-zu-Schuss Schwankungen der Wellenlänge in simultan gemessenen Photoemissionsspektren von atomarem Neon zu kompensieren. Die Selektion nach der mittleren Wellenlänge der FEL-Pulse bewirkt eine erhebliche Verringerung der Photoemissionslinienbreiten, was gleichbedeutend ist mit einer entsprechenden Auflösungverbesserung der Photoemissionsspektren. Darüber hinaus ermöglicht die Schuss-zu-Schuss-Spektroskopie der Wellenlängen eingehende Studien der Effekte verschiedener Parameter des FEL-Beschleunigers und systematische Untersuchungen von Raumladungseffekten im Multi-Bunch-Modus von FLASH. Aufgrund der erfolgreichen Inbetriebnahme und Messungen, wurde der GOTTHARD-Detektor in die permanente Infrastruktur von FLASH integriert. Dieser stellt nun Schuss-zu-Schuss-Wellenlängenspektroskopie für Nutzerexperimente und Beschleunigerstudien zur Verfügung.
Free-electron Lasers (FELs) have opened new fields of scientific studies and allow experiments of the interaction of matter with intense x-ray laser fields. They generate short photon pulses of extreme peak brilliance, which exceeds these of synchrotrons by several orders of magnitudes. The first FEL for the soft x-ray region is the free-electron laser FLASH at DESY in Hamburg. It generates photon pulses of several tens to a few hundreds of femtoseconds duration with photon wavelengths from 4 nm to 90 nm and pulse repetition rates of up to 1 MHz in the so-called multi-bunch mode. The process which generates the extreme photon flux and peak brilliance is the Self-Amplified Spontaneous Emission (SASE) process. SASE radiation shows statistical fluctuations in all beam parameters. For example, the average photon wavelength fluctuates by approximately 1 % from shot to shot. This causes uncertainties in the single shot spectra and reduces the resolution and significance of spectral data from experiments. Especially for the spectroscopy of very dilute targets, which generally requires an averaging over many shots even at FELs, the wavelength fluctuation limits the resolution and the extractable knowledge. The underlying idea of the presented project is the resolution enhancement of photoemission spectroscopy data with parallel recorded FEL pulse spectra in the multi-bunch mode. A selection or sorting of photoemission spectra according to the mean pulse wavelength of the respective FEL pulses compensates the shot-to-shot wavelength fluctuation and improves the resolution of the photoemission spectra. Therefore, a compact grating spectrometer for the wavelength region from 1 nm to 50 nm was designed and constructed. Required detectors with high readout frequencies of 1 MHz or above while having full multi-hit and integrating capability combined with an area sensitive sensor are currently under development. One of these is the GOTTHARD detector, which is developed by the Paul Scherrer Institute and DESY and meets all requirements for shot-to-shot wavelength spectroscopy at FLASH. This thesis presents the setup and the results of the commissioning and measurements of the spectrometer in combination with the GOTTHARD detector. For the first time, shot-to-shot wavelength spectra at high pulse repetition frequencies of the multi-bunch mode of FLASH were recorded. The wavelength spectra were used to compensate the shot-to-shot wavelength fluctuation of the FEL pulses in simultaneously taken photoemission spectra of atomic neon. The selection according to the mean pulse wavelengths results in a significant reduction in the photoemission peak widths equivalent to a respective improvement in resolution of the photoemission spectra. Furthermore, the shot-to-shot wavelength spectroscopy enables detailed FEL machine studies and systematic investigations of space charge effects in the multi-bunch mode at FLASH. Due to the successful commissioning results, the GOTTHARD detector was integrated into the permanent beamline infrastructure of FLASH. It now allows shot-to-shot wavelength spectroscopy for user experiments and machine studies in the multi-bunch mode.