Ionization and Plasma Dynamics of Single Large Xenon Clusters in Superintense XUV Pulses

در قلب این پایان نامه، رشته جوان علم لیزر الکترون آزاد قرار دارد که مبانی تجربی و نظری آن در اینجا به شیوه ای قابل درک توضیح داده شده است. پالس‌های بسیار روشن و بسیار کوتاه از لیزرهای الکترون آزاد با طول موج کوتاه (FEL) اخیراً راه را برای زمینه‌های جدید تحقیقاتی باز کرده‌اند. فلاش های اشعه ایکس تمام مواد را در فمتوثانیه ها به حالت های پلاسمایی بسیار برانگیخته تبدیل می کند، در حالی که وضوح مکانی و زمانی بالای آنها امکان مطالعه فرآیندهای سریع در ساختارهای بسیار کوچک را فراهم می کند. اگر بتوان آسیب تشعشع فوق سریع را درک کرد و تحت کنترل قرار داد، حتی تصویربرداری از مولکول‌های منفرد نیز ممکن است در دسترس باشد.

سلامت‌های اتمی ثابت کرده‌اند که سیستم‌های مدل ایده‌آلی برای مطالعات برهم‌کنش نور-ماده در همه رژیم‌های طول موج هستند، زیرا اندازه هستند. اهداف فاز گازی مقیاس پذیر و آسان برای تولید با ساختاری ساده. با FELها، \"تصویربرداری خوشه‌ای منفرد و طیف‌سنجی یونی همزمان\" آزمایش‌ها را در شرایط اولیه کاملاً مشخص ممکن می‌سازد، زیرا اندازه خوشه و شدت FEL را می‌توان از تصاویر پراکنده استخراج کرد. برای اولین بار خوشه های زنون بزرگ تا شعاع میکرون تولید شد. تصاویر پراکندگی تک خوشه‌ای آن‌ها برای مورفولوژی خوشه و آثار پلاسمای فوق سریع ساخته شده در طول پالس FEL فمتوثانیه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. طیف‌های یون خوشه‌ای منفرد که به‌طور همزمان اندازه‌گیری می‌شوند، بینش بی‌سابقه‌ای را در مورد پویایی یون‌ها پس از برهمکنش به دست می‌دهند. نتایج هم تلاش آزمایشی و هم مدل‌سازی نظری آینده را تغذیه خواهد کرد.

At the heart of this thesis is the young field of free electron laser science, whose experimental and theoretical basics are described here in a comprehensible manner. Extremely bright and ultra short pulses from short wavelength free-electron lasers (FELs) have recently opened the path to new fields of research. The x-ray flashes transform all matter into highly excited plasma states within femtoseconds, while their high spatial and temporal resolution allows the study of fast processes in very small structures. Even imaging of single molecules may be within reach if ultrafast radiation damage can be understood and brought under control.

Atomic clusters have proven to be ideal model systems for light-matter interaction studies in all wavelength regimes, being size scalable, easy-to-produce gas phase targets with a simple structure. With FELs, "single cluster imaging and simultaneous ion spectroscopy" makes possible experiments under extremely well defined initial conditions, because the size of the cluster and the FEL intensity can be extracted from the scattering images. For the first time large xenon clusters up to micron radius were generated. Their single cluster scattering images were analyzed for cluster morphology and traces of the ultrafast plasma built-up during the femtosecond FEL pulse. The simultaneously measured single cluster ion spectra yield unprecedented insight into the ion dynamics following the interaction. The results will feed both future experimental effort and theoretical modeling.