Time-of-Flight Ion and Electron Spectroscopy: Applications and Challenges at Storage Ring Light Sources

Abstract

This dissertation contains seven studies exploring novel instrumentation for ion and electron spectroscopy, including their applicability at storage ring light sources. The studies focus on instrumentation to study decay, dynamics and dissociation of photoexcited molecules, and the possibility to host such instruments at MAX~IV.



Commissioning of an instrument for negative-ion/positive-ion coincidence spectroscopy is reported and its design considerations are discussed.

The instrument allows detection of coincidences between mass-resolved negative and (multiple) positive ions, which is demonstrated in a study on the water molecule. Coincidence yields were measured following soft x-ray excitation below and above the O 1s ionization threshold of H2O. Analysis of such yields enhances the present understanding of the dissociation process of the water molecule and allows, for example, designation of previously unchartered doubly excited states and their decay channels. A second study of energy-resolved Auger electrons and mass-resolved positive ions in coincidence provides new data on the non-radiative decay of core-excited and--ionized water molecules.



A study using a novel instrument for mass-resolved analysis of highly excited neutral molecular fragments is reported. Such "high Rydberg" states are associated with electron recapture above the ionization threshold. They can also be reached following resonant Auger decay from core--excited states below threshold. The instrument is utilized in a study on the methane molecule.



The advent of high-resolution, high-transmission time-of-flight electron spectrometers sets new opportunities for spectroscopy at MAX IV, provided that the timing constraints of such instruments can be met. This dissertation proposes, based on initial experimental studies and theoretical considerations, that an ultra-high resolution electron coincidence experimental station could be constructed at MAX IV. This proposed station combines strengths of hemispherical analysers and time-of-flight instruments. The unique time-structure of the MAX IV storage rings with 10~ns light pulse separation allows for better performance than at other laboratories. Recent developments in chopper technology and so called pseudo single bunch techniques could open up possibilities to run timing-based instrumentation and experiments with high intensity demands in parallel. This dissertation reviews possible adaptations to MAX IV accelerators and beamlines to allow for future inclusion of timing-based spectroscopic instruments.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Slå vatten i småbitar



Många av de små molekyler som omger oss kan verka helt alldagliga. Vatten, koldioxid, syre, metan; de bara finns där, i våra kroppar, i våra lungor, överallt. Men så börjar någon tala om klimatförändringar, och att förstå de banala molekylerna blir avgörande för hela vår existens. Koldioxid, metan och vatten är växthusgaser, och det finns idag mer av dem i atmosfären än någonsin. Det är när solljuset interagerar med dessa molekyler som vi får global uppvärmning. Samspelet mellan ljus och partiklar i molekylernas lilla värld får stora konsekvenser för hela mänskligheten. Så vet vi allt vi behöver veta om molekylerna?



Människan har alltid behövt förstå vatten. Vatten har studerats vetenskapligt ända sedan antiken, och ändå är det mycket vi inte förstår. Livet börjar i vatten, ändå vet vi inte hur molekylerna sitter ihop. Den mesta koldioxid som vi släpper ut i atmosfären slukas av havet, ändå vet vi inte hur mycket växthusgaser som vatten kan binda. Isen vid polerna räddar jorden från snabb uppvärmning, ändå vet vi inte hur det går till när is fryser.



Detta är frågor som berör hela vår värld. Ska vi rädda jorden från snabba klimatförändringar och förstå livet på jorden så måste vi förstå mer om jordens vanligaste molekyler.



Figurtext: En ljusstråle från en synkrotron – till exempel MAX IV – kan få en vattenmolekyl att falla sönder och skicka ut olika slags partiklar. Att fånga och analysera dessa partiklar är grunden till att förstå molekylens kemi.



Vattenmolekylen ser enkel ut. Oftast avbildas den som ett stort rött klot med två vita Musse Pigg-öron fastklistrade ovanpå. Den är dock inte enkel. Vattenmolekylen kan sönderdelas i en mängd mindre bitar. Molekylen består av tre atomer, och runt atomkärnorna kretsar tio elektroner. Det är elektronerna som håller ihop molekylen genom så kallad kemisk bindning. Elektronernas värld är kvantmekanisk; den går inte att se med mikroskop. Men det går att flytta runt elektronerna inne i molekylen med hjälp av en ljusstråle. Att flytta en elektron från en elektronbana till en annan kan göra så att hela molekylen faller sönder. Resultatet kan bli en mängd olika partiklar - elektriskt laddade atomer (joner), fria elektroner, ljuspartiklar (fotoner) och elektriskt neutrala atomer. Var och en bär med sig lite information om den vattenmolekyl som de en gång var en del av. Att fånga och analysera dessa olika partiklar är därför ett sätt att blicka in i molekylens innersta.



Mitt arbete har varit att bygga mätinstrument för att analysera de olika partiklarna så effektivt som möjligt. Min särskilda utmaning har varit att bygga instrument som kan analysera flera olika partiklar samtidigt, så kallad koincidens. De studier jag gjort kan sammanfattas ungefär såhär: jag använder en stark ljusstråle för att flytta en viss elektron i molekylen från en elektronbana till en annan. När molekylen faller sönder fångar jag upp partiklarna med olika mätinstrument. Ju fler partiklar från samma molekyl, desto bättre resultat. Att fånga flera olika partiklar från samma sönderfall ger oftast en mycket bättre bild av processen än en enstaka partikel. Det är ju lättare för en arkeolog att pussla ihop ett skelett desto fler ben hen har hittat. På samma sätt är det lättare för en fysiker att förstå en molekyl ju fler partiklar hen har fångat.



Utmaningen i att bygga koincidensexperiment är att alla partiklar inte låter sig fångas i samma fälla. Beroende på om partiklarna är lätta eller tunga, positivt eller negativt laddade, reagerar de olika på försöken att styra dem.



Detta faktum använde jag för att bygga ett instrument för att fånga negativa och positiva joner i koincidens. Negativa joner bildas ibland vid molekylsönderfall, men är inte alls lika vanliga som positiva joner. Det går ungefär en negativ jon på tusen positiva. Därför har bildandet av negativa joner inte studerats alls lika mycket. Det är synd eftersom negativa joner produceras i ovanliga sönderfallsprocesser som man helt missar om man bara studerar positiva joner. Mitt instrument bestod av ett halvmeterlångt rör med en detektor i varje ände. Mitt i röret lät jag ljusstrålen möta vattenmolekylerna. Med hjälp av en elektrisk spänning drogs alla negativa partiklar in i den ena rörhalvan, medan de positiva drogs in i den andra. Positiva och negativa joner träffade var sin detektor, vilket man kunde registrera i datorn. Om det var träff i båda detektorerna nästan samtidigt så visste jag att ett jonpar hade fångats. Eftersom tunga joner är långsammare än lätta så tar det längre tid för dem att ta sig genom röret fram till detektorn. Om den negativa jonen kommer fram till detektorn innan den positiva jonen når sin detektor så betyder det att den negativa jonen är lätt och den positiva är tung. På så sätt kunde jag få reda på exakt vilka joner som har bildats.



Figurtext: Instrumentet som jag byggde för att mäta negativa och positiva joner i koincidens. Ljuset kommer in från vänster. Precis mitt i instrumentet möter det stråle med vattenmolekyler (ånga) som vi sprutar in genom en nål. Ett elektiskt fält drar negativa joner in i det övre röret och positiva joner in i det nedre. Detektorerna finns i slutet av rören och syns inte på bilden.



I ett annat experiment ville jag mäta positiva joner i koincidens med elektroner. Elektroner är också negativt laddade, men mycket lättare och snabbare är joner. Då fungerar inte samma teknik som i det första experimentet. Nu måste man istället låta elektronen hitta fram själv till detektorn innan man lägger på den elektriska spänningen och drar ut den positiva jonen. Finessen i detta experiment var att vi kunde mäta elektronens rörelseenergi. Energin är viktig, för den talar om för oss exakt hur mycket av ljusstrålens energi som lämnades kvar i molekylen. Det är den energin som slår sönder molekylen. Det kan berätta inte bara att en jon bildas när man använder ett visst slags ljus, utan exakt hur den bildades. Man kan då se vilka kemiska bindningar som går bra att spräcka, och vilka som är mer robusta.



Ljuset från MAX IV och andra liknande forskningsanläggningar är särskilt lämpligt för dessa experiment. Ljuset är så starkt och så exakt att man kan ”sikta” på en elektron och få den att flytta sig precis till den plats som man vill. Till exempel kan man få den allra innersta elektronen, som är hårt bunden till molekylen, att flytta sig till en ny elektronbana mycket längre ut. Att slå ut en sådan elektron är som att slå ut den understa raden av tegelstenar i en vägg. Den kommer att falla ihop, men kan göra det på ett kontrollerat sätt. Att observerar väggen när den faller avslöjar var dess svaga punkter är. En vattenmolekyl med en utslagen elektron kan falla i bitar på några miljondels miljarddels sekunder. På samma sätt, genom att studera resultatet av sönderfallet kan vi se vilka kemiska bindningar som är molekylens svaga punkter. Man kan också studera exakt vilken energi på ljuset som bryter en viss bindning. Det är genom att styra kemin i detalj på detta sätt som vi har möjligheter att skapa nya intressanta molekyler som kan användas i industrin.



Molekylernas lilla värld är märklig och svår för människan att förstå. Men det är i den lilla världen som hela vår vardagliga stora värld byggs upp. I molekylernas värld vilar svaren några av vår tids stora frågor: klimatförändringar, människors hälsa och förutsättningarna för liv. Det är i det perspektivet som man kan fortsätta slå vatten i småbitar.

• author: Stråhlman, Christian
• supervisor: Rami Sankari; Ralf Nyholm
• opponent: Prof. Avaldi, Lorenzo, CNR-Istituto di Struttura della Materia, Rome, Italy
• organization: MAX IV Laboratory; Department of Synchrotron Radiation Instrumentation-lup-obsolete (research group)
• publishing date: 2016
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Physical Sciences
• pages: 170 pages
• defense location: MAX III Seminar Room, MAX IV Laboratory
• defense date: 2016-04-15 13:15:00
• ISBN: 978-91-7623-648-2
• ISBN: 978-91-7623-649-9
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 57e4547b-5556-4d11-9736-a2a30a896671 (old id 8866027)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:02:16
• date last changed: 2020-05-11 17:29:11