Aufbau am Messplatz SUL-X

Für die Realisierung der Pump-Probe-Experimente an ANKA wurde ein Aufbau am Messplatz SUL-X⁶ verwendet. Zunächst ist der räumliche Über-lapp zwischen Anregungs- und Abfrage-Strahl wichtig. Der Strahlverlauf des Abfrage-Röntgenstrahls ist durch den Messplatz festgelegt: Die Strahlung für das SUL-X-Strahlrohr wird durch einen Wiggler an einem geraden Abschnitt erzeugt, bei dem es sich um einen Permanentmagnet-Wiggler mit einer ma-ximalen magnetischen Feldstärke von 1.3 T handelt. Die Strahlgröÿe nach Fokussierung beträgt 50×40µm (bei den hier beschriebenen Experimenten wurde in der Regel durch Einsatz von Blenden eine Strahlgröÿe von ca.30µm genutzt). Durch insgesamt vier Röntgenspiegel und mit Hilfe eines durch eine Blende kontrollierbaren Zwischenfokus kann der Röntgenstrahl auf den Be-reich der Probe weiter fokussiert werden. Gleichzeitig kann die Energie der Strahlung mittels verschiedener Monochromatoren (Si) aus einem Bereich von 2.14. . .20 keV gewählt werden[HSBP11]. Der Fokusbereich des Strahls

6Synchrotron-Umwelt-Labor, vorwiegend genutzt für Streu-, Absorptions- und Fluo-reszenzexperimente im Bereich von Fragestellungen, die die Umwelt betreen.[HSBP11]

Abbildung 2.6: Strahlführung des SUL-X-Messplatzes: Monochromatisierung und Fokussierung des Strahls. Von [ank]

liegt innerhalb einer Vakuumkammer, in der die Probe mittels eines Dirak-tometers und entsprechender Schrittmotoren in den Fokusbereich gebracht werden kann2.6. Auf den durch den Messplatz festgelegten Fokusbereich des Röntgenstrahls wird nun auch der Laserstrahl fokussiert. Dies geschieht durch ein System von mehreren Spiegeln, mittels welcher der Laserstrahl zunächst durch ein Fenster hindurch in der Vakuumkammer gelenkt und schlieÿlich auf die Probe reektiert wird. Kurz vor der Probe wird der Strahl durch eine Sammellinse auf eine Gröÿe von 35µm herunterfokussiert. Diese Lin-se ist ebenfalls durch Schrittmotoren in x- y- und z-Richtung ausgestattet, wodurch die Fokusebene und der genaue Überlapp mit dem Röntgenstrahl eingestellt werden kann.

Zur Detektion des gestreuten Röntgenstrahls wird eine Avalanche-Photo-diode (APD) benutzt[BR94, BKMR06]. Sie kann so eingesetzt werden, dass Photonen durch den photoelektrischen Eekt im Halbleitermaterial Ladungs-träger freisetzen; diese LadungsLadungs-träger werden durch eine angelegte Sperr-spannung beschleunigt, so dass es zum Lawinendurchbruch kommt (daher der Name), d.h. dass durch Stoÿionisation immer weitere Ladungsträger frei-gesetzt werden. Somit kann ein einzelnes Photon eine Lawine und damit einen messbaren Strom auslösen. Für die beschriebenen Experimente wurde

die APD allerdings im Proportionalbereich (unterhalb der Durchb) betrie-ben, bei dem die Impulshöhe proportional zur Energie der eingestrahlten Photonen ist.

Die Vorteile der APD liegen vor allem darin, dass das Signal keiner groÿen elektronischen Verstärkung mehr bedarf allerdings muss im Gegenzug auch Quantenrauschen und internes Verstärkungsrauschen beachtet werden was das Verhältnis von Signal zu Rauschen gerade bei niedrigen Photonenzah-len bzw. Intensitäten verbessert. Eine Anforderung für die hier dargestellten zeitaufgelösten Experimente ist, dass der Detektionsprozess schnell genug für die verwendete Repetitionsrate von 500 MHz bzw. den entsprechenden zeit-lichen Impulsabstand von 2 ns ist auch diese Voraussetzung wird durch die APD erfüllt. Bei den Experimenten wurde ein APD-Dektor von FMB Oxford inklusive zugehöriger Elektronik verwendet. Es wurden Zählraten von bis zu 3·10⁷Ph/s verzeichnet bei einer Diodenäche von 5 mm×5 mm

Wie im Abschnitt über das ASOXS-Prinzip (Abschnitt 2.1) beschrieben, müssen Laser- und Röntgenimpulse zeitlich synchronisiert werden bzw. es muss eine kontrollierte Asynchronität eingeführt werden. Dafür wird das zeit-liche Signal der Elektronenpakete im Synchrotronring zunächst durch eine sog. Stripline-Elektrode abgegrien. Dabei handelt es sich um eine Elektro-de, welche nahe der Elektronenbahn plaziert ist; ein vorbeikommendes Elek-tronenpaket induziert durch sein elektromagnetisches Feld darin einen Span-nungsimpuls. Da dieses Signal den Zeitverlauf der Abfrageimpulse darstellt, wird dieses Signal auf den Slave-Eingang einer Zeitstabilierungs-Einheit der Firma GigaOptics gegeben (bestehend aus einem Frequenzschieber und ei-nem Dierenzfrequenzgenerator; Funktionsprinzip s. Abschnitt 2.1). Das Re-ferenzsignal des Lasers wird durch eine schnelle Photodiode abgegrien, auf die über einen teildurchlässigen Spiegel ein Teil des Strahles gerichtet ist;

dieses Signal wird für die Zeitstabilisierungseinheit als Master verwendet.

Ein weiteres Eingangssignal ist die gewünschte Dierenzfrequenz, die durch einen externen Frequenzgenerator zugeführt wird. Als Ausgangssignal liefert die Zeitstabilisierungseinheit ein Fehlersignal, welches über einen Verstärker (wiederum der Firma GigaOptics) auf einen schnellen und einen langsamen Piezoaktuator an einem Spiegel im Oszillator gegeben wird und so die Fre-quenzdierenz zwischen Laser- und Röntgenimpulsen sicherstellt. Zusätzlich erzeugt die Einheit über die Schwebung der beiden Eingangssignale ein Trig-gersignal, welches einen konstanten zeitlichen Abstand zum wahren Zeitnull-punkt besitzt und zur zeitlichen Einordnung der Messdaten verwendet wird.

Für die Verschiebung der Probe können einerseits die Schrittmotoren des Messplatzes verwendet werden; andererseits wird für Experimente in Bragg-Geometrie ein kleines, eigens für diese Experimente konstruiertes Dirakto-meter 2.7 in die Probenposition des Messplatzes gesetzt. Auf dessen

Detekto-Abbildung 2.7: Mini-Diraktometer eingesetzt in Messposition im Vakuum-topf. Man sieht links die am Detektorarm befestigte APD, rechts ragt eine Mikroskopkamera über die Proben; weiter rechts davon ist die Linse für die Laser-Fokussierung zu erkennen.

rarm kann der APD-Detektor angebracht werden; der Proben-Anstellwinkel θ, der Detektorwinkel2θsowie eine lineare Bewegung der Probe können durch Schrittmotoren verfahren werden.

Die Verkabelung für die Schrittmotoren für Probe und Linse werden über eine speziell konstruierte Durchführung aus der Vakuumkammer hinausge-führt und verlaufen zu einem Ethernet-Gateway der Firma Moxa, damit ein Zugri darauf und eine Steuerung über das Messnetz erfolgen kann. Ebenfalls durch diese Durchführung wird die Hochspannungsversorgung und das Signal des APD-Detektors aus der Vakuumkammer zum APD-Elektronikmodul ge-leitet. Von diesem wird ein TTL-Signal erzeugt, welches von einer Histo-gramm-Karte (NanoHarp der Firma PicoQuant) in verschiedenen Kanälen für verschiedene Zeitpunkte aufgezeichnet wird. Als Triggersignal für diese Histogramm-Kartie wird das erzeugte Schwebungssignal aus der Zeitstabili-sierungseinheit verwendet (Abb. 2.8).

Vakuumkammer

Schrittmotoren Linse

Diffraktometer, APD

APD-Elektronik Motorsteuerung

Moxa

Histogramm-Karte

HV Signal Stripline

Synchrotron fs-Oszillator

Frequenz- PD

generator Frequenzschieber

Verstärker

Fehlersignal

Feedback

Trigger Signal

Abbildung 2.8: Schematische Darstellung der Verbindungen für den ASOXS-Aufbau am Messplatz SUL-X.