时间分辨的x射线衍射

原子和分子结构的演化

近年来，研究原子和分子结构在100飞秒(1fs=10-15s)时间尺度上的时间演化的新方法得到了发展，这是原子振动的典型时间尺度。这种方法将给物理、化学和生物过程在原子尺度上的时间演化提供新的见解。新的发展，如新的x射线源，飞秒激光器和x射线光学，对这项研究至关重要。但是，如果没有在kev1 -光子范围内开发新的探测器，这样的实验是不可能的。将环形弯曲晶体光学与CCD相机相结合，可以同时测量晶体瞬态衍射曲线[1]。

耶拿für光学与量子电子研究所使用脉冲飞秒x射线源的时间分辨x射线衍射

图2 a。

时间分辨衍射的典型设置如图1所示。短而强的激光脉冲(t =100 fs, I >1015 W/ cm2)与固体物质的相互作用产生了一个薄而致密的等离子体层，其中电子可以有效加速到keV甚至MeV能量。这些电子在与固体相互作用时可以产生短的x射线脉冲。x射线源略大于激光聚焦，通常产生几十微米。来自基于激光的x射线源的强线辐射，如Kα线，与环形弯曲的晶体聚焦在被研究的样品上。然后一个球形单色波落在样品上。来自样品的衍射x射线信号(图2a)由安多尔背光深度耗尽x射线CCD相机(DX420-BR-DD, 1024 x 255像素)记录，提供单晶样品的振动曲线(图2b)。在x射线探测脉冲之前，用第二个具有一定延迟的激光脉冲激发样品，使研究人员可以通过改变两个脉冲的延迟[2]来跟踪衍射信号的时间响应。

图1所示。时间分辨x射线衍射装置

x射线CCD相机的特性

背光深度耗尽ccd的重要特性与其他x射线探测器[3]相比具有以下优点:

• 由于相机传感器温度较低，在各种曝光(通常为1s - 1000 s)中积累光子。
• 在kev1 -光子能量范围内探测单光子事件。超过25万个单个固态探测器，每个像素，同时记录信号。
• 探测效率高，对4.5 keV光子的探测效率可达90%以上。
• 在光子能量和被测电荷之间保持良好的线性关系
• 即使一个光子的电荷被分解成四个像素，光子能量也可以被重建
• CCD相机既可用于真空实验，也可用于小型柔性真空罩(见图1)。
• 质量相对较小，易于平移和旋转。

时间分辨实验的应用

时间分辨实验需要探测器的显著特性才能成功地记录合理的数据。这些实验中最重要的参数之一是时间平均x射线光子通量。高探测效率降低了飞秒激光驱动x射线源的高平均功率的极高成本。

x射线ccd应用于这些实验的各个步骤:

• 作为单光子计数模式(线谱和轫致辐射)的记录x射线能谱仪，用于激光x射线源优化
• 通过ccd，可以完成x射线光学(即环形弯曲晶体)的在线对准，例如布拉格角旋转、晶体方位角旋转和焦点对准。
• 从晶体样品中记录晶体的瞬态或静态摇摆曲线(图2 (b))。

图2 (b)单晶摇摆曲线

使用背光深度耗尽x射线CCD相机进行数据分析的优点是:

• 衍射的单个光子可以以一个像素的精度定位。这相当于衍射实验中典型的0.5弧分的角分辨率。
• 由CCD温度给出的背景电平可以相对容易地减去。
• 散射的硬光子对衍射信号没有贡献，但如果使用单光子计数模式，可以很容易地消除干扰测量。
• 从二维CCD图像(图2a中的科塞尔锥)重建摇摆曲线。
• 由于探测器面积大，能够记录样品衍射的大立体角。

感谢:

I. Uschmann, Institut für Optik and Quantenelektronik, Friedrich-Schiller-Universität耶拿，德国

1.Ch. Rischel等，《自然》390,490(1997)。
2.A. Morak等，Phys。统计,索尔。,不。pssb。200642387,(2006)。
3.F. Zamponi等，Sci修订版。Instrum。， 76, 116101(2005)。