Advanced

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

Stråhlman, Christian LU (2014)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Den rykande startpistolen

eller

Konsten att ta tid på en flygande elektron





Flygande elektroner kan berätta mycket om hur världen sitter ihop. Elektroner som lämnar ytan av något material avslöjar både vilka atomer som finns i materialet och hur de kemiska bindingarna ser ut. Allt detta är nödvändigt att förstå när man vill utveckla nya material – till exempel för kretskort, solceller eller skärmar till smarta telefoner – eller förstå hur kemiska reaktioner går till olika miljöer – till exempel i en bilkatalysator.



Tekniken för att arbeta med de flygande elektronerna kallas elektronspektroskopi. När man bestrålar ett material med... (More)
Popular Abstract in Swedish

Den rykande startpistolen

eller

Konsten att ta tid på en flygande elektron





Flygande elektroner kan berätta mycket om hur världen sitter ihop. Elektroner som lämnar ytan av något material avslöjar både vilka atomer som finns i materialet och hur de kemiska bindingarna ser ut. Allt detta är nödvändigt att förstå när man vill utveckla nya material – till exempel för kretskort, solceller eller skärmar till smarta telefoner – eller förstå hur kemiska reaktioner går till olika miljöer – till exempel i en bilkatalysator.



Tekniken för att arbeta med de flygande elektronerna kallas elektronspektroskopi. När man bestrålar ett material med intensivt ljus tvingas elektronerna att flyga iväg. Deras flygriktning och fart kan berätta för oss hur materialet ser ut på mikroskopisk nivå. Elektronspektroskopi kräver därför två saker: en ljuskälla och en elektrondetektor. Den här uppsatsen handlar om mötet mellan dessa två. Å ena sidan världens skarpaste ljuskälla: den synkrotronljusproducerande lagringsringen. På andra sidan ett mätinstrument: flygtidsspektrometern. Båda dessa är mycket viktiga för elektronspektroskopin. Problemet är att de inte passar ihop.



En lagringsring är en partikelaccelerator där elektroner cirkulerar med nära ljusets hastighet. Medan de cirkulerar skapar de intensiva strålar av röntgenljus eller ultraviolett ljus. Vi kallar det för synkrotronljus. På MAX IV–laboratoriet finns tre lagringsringar där elektronerna skickas runt i grupper med tre meters avstånd. Eftersom elektronerna rör sig med ljusets hastighet är det med endast tio nanosekunders mellanrum som en elektrongrupp passerar experimentet och skickar ut en synkrotronljuspuls. Tio nanosekunder är en mycket kort tid, men andra lagringsringar kan ha ännu tätare mellan pulserna. Till exempel lagringsringen BESSY i Berlin, där avståndet bara är två nanosekunder.



Flygtidsspektrometern är ett instrument för att mäta en elektrons fart och flygriktning. Att mäta en elektrons fart med ett flygtidsinstrument är som att ta tid på en sprintlöpare på en löparbana. Banan har alltid en bestämd längd. Man ger löparen en startsignal genom att skjuta med en startpistol, vilket också är signalen till tidtagaren att starta klockan. Tidtagningen slutar när löparen går i mål, och med den uppmätta tiden kan man beräkna löparens medelhastighet. I flygtidsspektrometern är elektronen löpare, och löparbanan är ett vakuumrör. En elektron som har blivit utslagen från provet av en ljuspuls leds genom röret fram till en detektor. Det är som om ljuspulsen vore startpistol och detektorn är tidtagare.



Det är nu det blir problem. I alla elektronspektrometrar med bra energiupplösning är flygtiden minst hundra nanosekunder, ibland flera mikrosekunder. Eftersom vi inte kan se elektronen när den flyger är det enda vi kan mäta när elektronen kommer fram till detektorn. Startsignalen måste komma från ljuspulsen. Dessa pulser kommer dock mycket tätare än flygtidens längd. Det är som om startpistolen på löparbanan skulle skjutas av tiotals gånger under varje lopp. För tidtagaren blir det omöjligt att veta när löparen startade. För att tidtagningen ska fungera får det bara vara ett startskott varje lopp, på samma sätt som det bara får komma en ljuspuls varje gång en elektron flyger genom spektrometern. När varje elektron följs av massor med startskott måste vi fråga oss: Vilken är den rykande pistolen?



I den här uppsatsen diskuterar jag olika sätt att lösa problemet med den rykande startpistolen. Det finns nämligen flera. Ett av sätten är att ändra på lagringsringens inställningar så att ljuspulserna kommer mer sällan – man tvingar personen med startpistolen att skjuta mer sällan. Så gör man på många lagringsringar i världen, men det är väldigt svårt att göra på lagringsringar som MAX IV. Varje försök att ändra på hur elektronerna ligger i lagringsringen kan göra hela acceleratorn instabil. Mina kloka kollegor som är acceleratorfysiker undersöker dock om man ändå kan göra detta på MAX IV.

Ett annat sätt är att blockera majoriteten av ljuspulserna innan de kommer fram till experimentet – personen med startpistolen skjuter, men skottet hörs inte. En apparat som gör detta kallas mekanisk slutare (eller chopper) och är oftast ett roterande hjul med smala öppningar som låter en enda ljuspuls passera. De slutare som behövs för att passa flygtidsspektrometern kräver stor ingenjörskonst att tillverka. Det krävs ett 30 centimeter stort hjul som gör tusen rotationer per sekund och som har öppningar på några få mikrometer. Sådana slutare finns dock idag, och jag föreslår att man kan använda dessa på MAX IV.



Om man inte alls kan förändra ljusets egenskaper får man arbeta med detektorn – kan man inte stoppa startpistolen så får man stoppa löparna efter starten. Jag har tillsammans med kollegor i Berlin utvecklat två slags elektroniska grindar som hindrar elektronerna som sänds ut från provet att komma fram till detektorn. Vi bromsar in alla elektroner som vi inte vill detektera med ett elektriskt fält och ett mikrometertunt metallnät av rent guld. Vi använder en elektrisk puls för att ”öppna” grinden precis så ofta som spektrometern behöver och under den korta tiden kan elektronerna passera utan problem. Skillnaden mellan de två grindarna är att den ena (detektorgrinden) stoppar elektronerna just före målgången medan den andra (nosgrinden) arbetar precis vid startlinjen. Utmaningen för oss är att få fram en elektrisk puls som är tillräckligt stark för att blockera elektronerna som vi inte vill detektera, och samtidigt så snabb och exakt att den inte ändrar flygtiden för de elektroner som vi vill mäta. En elektrisk puls kan också skapa störande radiovågor som överbelastar detektorn. För att lösa detta var vi tvungna att studera många olika slags elektriska pulser och testa hur de påverkade spektrometern, och i slutändan lyckades vi skapa elektriska pulser som passade för lagringsringen BESSY och de synkrotronljuspulser som finns där. Tack vare vår detektorgrind kunde vi detektera elektroner 30 gånger mer effektivt. Ett experiment som annars hade tagit en hel dag kunde vi nu göra på 20 minuter. Detta gör flygtidsspektrometern mycket mer användbar på BESSY. Detektorgrindar kommer nu användas på de nya experimentstationer som byggs där.



För att få samma goda resultat på MAX IV vill vi använda nosgrinden. Det är en större utmaning eftersom de elektriska pulserna måste vara både starkare och kortare. I uppsatsen diskuterar jag hur en sådan grind kan fungera. Vi har gjort tester, men det återstår mer arbete innan den kan användas på ett riktigt experiment på MAX IV. Till nästa mätning ska jag bygga om grinden för att bättre kunna styra elektronerna. Jag kommer också att skaffa en generator för de elektriska pulserna som ger bättre och kortare pulser. Vårt mål är att grindtekniken ska kunna användas vid flygtidsexperiment på MAX IV. Med tillgång till det världsbästa ljuset och de bästa instrumenten tror vi att forskarna i Lund kan göra världsledande elektronspektroskopi. (Less)
Abstract
Time-of-flight (TOF) techniques for energy analysis have been common in electron spectroscopy for many decades. TOF-based electron spectrometers benefit from higher transmission and information rate compared to their main competitor: the hemispherical analyser; the drawback being their lower energy resolution. However, the advent of angle-resolved TOF spectrometers for electron energy analysis challenges this perception. State-of-the-art TOF analysers, such as the Scienta ARTOF, offer energy resolution comparable to the hemispherical analyser resolution, while keeping the high transmission. Electron TOF should therefore be valuable complementary instrumentation at any future high-brilliance storage rings such as MAX IV.



... (More)
Time-of-flight (TOF) techniques for energy analysis have been common in electron spectroscopy for many decades. TOF-based electron spectrometers benefit from higher transmission and information rate compared to their main competitor: the hemispherical analyser; the drawback being their lower energy resolution. However, the advent of angle-resolved TOF spectrometers for electron energy analysis challenges this perception. State-of-the-art TOF analysers, such as the Scienta ARTOF, offer energy resolution comparable to the hemispherical analyser resolution, while keeping the high transmission. Electron TOF should therefore be valuable complementary instrumentation at any future high-brilliance storage rings such as MAX IV.



TOF instruments demand pulsed light with comparably low repetition rates. At storage rings they often rely on the availability of single bunch modes with lower pulse repetition rates. However, time-sharing limits the beamtime available both for timing based instrumentation and experiments, and for those demanding high intensity. Solutions to allow simultaneous operation are therefore critical for the user community. This thesis explores four classes of solutions: Accelerator adaptations, choppers, instrument gating and coincidence techniques. A review of accelerator adaptations, choppers and coincidence techniques is presented which in particular highlights future opportunities for timing based experiments at MAX IV.



With regard to gating, this thesis reports the development of an electronic gate for the ARTOF analyser. It is showed how a pulsed electric potential and a system of transmission meshes can be used to simulate single bunch operation and discard electrons which would be unresolvable in the analyser. One paper shows how a detector gate has been implemented to allow use of the instrument in hybrid mode at BESSY storage ring in Berlin. We show that detection efficiency can be increased more than ten times. A second paper discusses the necessary requirements to build a similar gate for the operation mode of the future MAX~IV rings and outlines some initial experimental results. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
time-of-flight, photoelectron spectroscopy, MAX IV, storage ring, detector gating, chopper, coincidence spectroscopy
pages
88 pages
ISBN
978-91-7623-166-1
language
English
LU publication?
yes
id
273c6186-d996-4b88-9742-b0f3e5564474 (old id 4778615)
date added to LUP
2014-11-13 16:35:40
date last changed
2016-09-19 08:45:18
@misc{273c6186-d996-4b88-9742-b0f3e5564474,
  abstract     = {Time-of-flight (TOF) techniques for energy analysis have been common in electron spectroscopy for many decades. TOF-based electron spectrometers benefit from higher transmission and information rate compared to their main competitor: the hemispherical analyser; the drawback being their lower energy resolution. However, the advent of angle-resolved TOF spectrometers for electron energy analysis challenges this perception. State-of-the-art TOF analysers, such as the Scienta ARTOF, offer energy resolution comparable to the hemispherical analyser resolution, while keeping the high transmission. Electron TOF should therefore be valuable complementary instrumentation at any future high-brilliance storage rings such as MAX IV.<br/><br>
<br/><br>
TOF instruments demand pulsed light with comparably low repetition rates. At storage rings they often rely on the availability of single bunch modes with lower pulse repetition rates. However, time-sharing limits the beamtime available both for timing based instrumentation and experiments, and for those demanding high intensity. Solutions to allow simultaneous operation are therefore critical for the user community. This thesis explores four classes of solutions: Accelerator adaptations, choppers, instrument gating and coincidence techniques. A review of accelerator adaptations, choppers and coincidence techniques is presented which in particular highlights future opportunities for timing based experiments at MAX IV.<br/><br>
<br/><br>
With regard to gating, this thesis reports the development of an electronic gate for the ARTOF analyser. It is showed how a pulsed electric potential and a system of transmission meshes can be used to simulate single bunch operation and discard electrons which would be unresolvable in the analyser. One paper shows how a detector gate has been implemented to allow use of the instrument in hybrid mode at BESSY storage ring in Berlin. We show that detection efficiency can be increased more than ten times. A second paper discusses the necessary requirements to build a similar gate for the operation mode of the future MAX~IV rings and outlines some initial experimental results.},
  author       = {Stråhlman, Christian},
  isbn         = {978-91-7623-166-1},
  keyword      = {time-of-flight,photoelectron spectroscopy,MAX IV,storage ring,detector gating,chopper,coincidence spectroscopy},
  language     = {eng},
  pages        = {88},
  title        = {On the Challenges for Time-of-Flight Electron Spectroscopy at Storage Rings},
  year         = {2014},
}