On the Challenges for Time-of-Flight Electron Spectroscopy at Storage Rings

Popular Abstract in Swedish Den rykande startpistolen eller Konsten att ta tid pa en flygande elektron Flygande elektroner kan beratta mycket om hur varlden sitter ihop. Elektroner som lamnar ytan av nagot material avslojar bade vilka atomer som finns i materialet och hur de kemiska bindingarna ser ut. Allt detta ar nodvandigt att forsta nar man vill utveckla nya material – till exempel for kretskort, solceller eller skarmar till smarta telefoner – eller forsta hur kemiska reaktioner gar till olika miljoer – till exempel i en bilkatalysator. Tekniken for att arbeta med de flygande elektronerna kallas elektronspektroskopi. Nar man bestralar ett material med intensivt ljus tvingas elektronerna att flyga ivag. Deras flygriktning och fart kan beratta for oss hur materialet ser ut pa mikroskopisk niva. Elektronspektroskopi kraver darfor tva saker: en ljuskalla och en elektrondetektor. Den har uppsatsen handlar om motet mellan dessa tva. A ena sidan varldens skarpaste ljuskalla: den synkrotronljusproducerande lagringsringen. Pa andra sidan ett matinstrument: flygtidsspektrometern. Bada dessa ar mycket viktiga for elektronspektroskopin. Problemet ar att de inte passar ihop. En lagringsring ar en partikelaccelerator dar elektroner cirkulerar med nara ljusets hastighet. Medan de cirkulerar skapar de intensiva stralar av rontgenljus eller ultraviolett ljus. Vi kallar det for synkrotronljus. Pa MAX IV–laboratoriet finns tre lagringsringar dar elektronerna skickas runt i grupper med tre meters avstand. Eftersom elektronerna ror sig med ljusets hastighet ar det med endast tio nanosekunders mellanrum som en elektrongrupp passerar experimentet och skickar ut en synkrotronljuspuls. Tio nanosekunder ar en mycket kort tid, men andra lagringsringar kan ha annu tatare mellan pulserna. Till exempel lagringsringen BESSY i Berlin, dar avstandet bara ar tva nanosekunder. Flygtidsspektrometern ar ett instrument for att mata en elektrons fart och flygriktning. Att mata en elektrons fart med ett flygtidsinstrument ar som att ta tid pa en sprintlopare pa en loparbana. Banan har alltid en bestamd langd. Man ger loparen en startsignal genom att skjuta med en startpistol, vilket ocksa ar signalen till tidtagaren att starta klockan. Tidtagningen slutar nar loparen gar i mal, och med den uppmatta tiden kan man berakna loparens medelhastighet. I flygtidsspektrometern ar elektronen lopare, och loparbanan ar ett vakuumror. En elektron som har blivit utslagen fran provet av en ljuspuls leds genom roret fram till en detektor. Det ar som om ljuspulsen vore startpistol och detektorn ar tidtagare. Det ar nu det blir problem. I alla elektronspektrometrar med bra energiupplosning ar flygtiden minst hundra nanosekunder, ibland flera mikrosekunder. Eftersom vi inte kan se elektronen nar den flyger ar det enda vi kan mata nar elektronen kommer fram till detektorn. Startsignalen maste komma fran ljuspulsen. Dessa pulser kommer dock mycket tatare an flygtidens langd. Det ar som om startpistolen pa loparbanan skulle skjutas av tiotals ganger under varje lopp. For tidtagaren blir det omojligt att veta nar loparen startade. For att tidtagningen ska fungera far det bara vara ett startskott varje lopp, pa samma satt som det bara far komma en ljuspuls varje gang en elektron flyger genom spektrometern. Nar varje elektron foljs av massor med startskott maste vi fraga oss: Vilken ar den rykande pistolen? I den har uppsatsen diskuterar jag olika satt att losa problemet med den rykande startpistolen. Det finns namligen flera. Ett av satten ar att andra pa lagringsringens installningar sa att ljuspulserna kommer mer sallan – man tvingar personen med startpistolen att skjuta mer sallan. Sa gor man pa manga lagringsringar i varlden, men det ar valdigt svart att gora pa lagringsringar som MAX IV. Varje forsok att andra pa hur elektronerna ligger i lagringsringen kan gora hela acceleratorn instabil. Mina kloka kollegor som ar acceleratorfysiker undersoker dock om man anda kan gora detta pa MAX IV. Ett annat satt ar att blockera majoriteten av ljuspulserna innan de kommer fram till experimentet – personen med startpistolen skjuter, men skottet hors inte. En apparat som gor detta kallas mekanisk slutare (eller chopper) och ar oftast ett roterande hjul med smala oppningar som later en enda ljuspuls passera. De slutare som behovs for att passa flygtidsspektrometern kraver stor ingenjorskonst att tillverka. Det kravs ett 30 centimeter stort hjul som gor tusen rotationer per sekund och som har oppningar pa nagra fa mikrometer. Sadana slutare finns dock idag, och jag foreslar att man kan anvanda dessa pa MAX IV. Om man inte alls kan forandra ljusets egenskaper far man arbeta med detektorn – kan man inte stoppa startpistolen sa far man stoppa loparna efter starten. Jag har tillsammans med kollegor i Berlin utvecklat tva slags elektroniska grindar som hindrar elektronerna som sands ut fran provet att komma fram till detektorn. Vi bromsar in alla elektroner som vi inte vill detektera med ett elektriskt falt och ett mikrometertunt metallnat av rent guld. Vi anvander en elektrisk puls for att ”oppna” grinden precis sa ofta som spektrometern behover och under den korta tiden kan elektronerna passera utan problem. Skillnaden mellan de tva grindarna ar att den ena (detektorgrinden) stoppar elektronerna just fore malgangen medan den andra (nosgrinden) arbetar precis vid startlinjen. Utmaningen for oss ar att fa fram en elektrisk puls som ar tillrackligt stark for att blockera elektronerna som vi inte vill detektera, och samtidigt sa snabb och exakt att den inte andrar flygtiden for de elektroner som vi vill mata. En elektrisk puls kan ocksa skapa storande radiovagor som overbelastar detektorn. For att losa detta var vi tvungna att studera manga olika slags elektriska pulser och testa hur de paverkade spektrometern, och i slutandan lyckades vi skapa elektriska pulser som passade for lagringsringen BESSY och de synkrotronljuspulser som finns dar. Tack vare var detektorgrind kunde vi detektera elektroner 30 ganger mer effektivt. Ett experiment som annars hade tagit en hel dag kunde vi nu gora pa 20 minuter. Detta gor flygtidsspektrometern mycket mer anvandbar pa BESSY. Detektorgrindar kommer nu anvandas pa de nya experimentstationer som byggs dar. For att fa samma goda resultat pa MAX IV vill vi anvanda nosgrinden. Det ar en storre utmaning eftersom de elektriska pulserna maste vara bade starkare och kortare. I uppsatsen diskuterar jag hur en sadan grind kan fungera. Vi har gjort tester, men det aterstar mer arbete innan den kan anvandas pa ett riktigt experiment pa MAX IV. Till nasta matning ska jag bygga om grinden for att battre kunna styra elektronerna. Jag kommer ocksa att skaffa en generator for de elektriska pulserna som ger battre och kortare pulser. Vart mal ar att grindtekniken ska kunna anvandas vid flygtidsexperiment pa MAX IV. Med tillgang till det varldsbasta ljuset och de basta instrumenten tror vi att forskarna i Lund kan gora varldsledande elektronspektroskopi. (Less)