Advanced

Investigating the stability of a laser-based plasma x-ray source

Parnefjord Gustafsson, Fredrik LU ; Uhlig, Jens; Fullagar, Wilfred and El Nahhas, Amal (2016) FYSK01 20151
Chemical Physics
Department of Physics
Abstract
The use of laser based plasma x-ray sources (LPXS) has quickly expanded during the past decades due to rapid development of ultrafast laser systems. These sources are used in many research applications such as emission, absorption and particularly time-resolved spectroscopy. From the LPXS x-ray pulses are generated when an intense laser pulse is focused onto a liquid or solid interface in gas or vacuum. In this thesis we investigate the source stability which we define as the x-ray flux and spectrum reproducibility from each generated x-ray pulse. Understanding the stability is of great importance for its research applications. A basic theory of the LPXS is introduced describing relevant parameters for the source stability. Two parameters... (More)
The use of laser based plasma x-ray sources (LPXS) has quickly expanded during the past decades due to rapid development of ultrafast laser systems. These sources are used in many research applications such as emission, absorption and particularly time-resolved spectroscopy. From the LPXS x-ray pulses are generated when an intense laser pulse is focused onto a liquid or solid interface in gas or vacuum. In this thesis we investigate the source stability which we define as the x-ray flux and spectrum reproducibility from each generated x-ray pulse. Understanding the stability is of great importance for its research applications. A basic theory of the LPXS is introduced describing relevant parameters for the source stability. Two parameters of relevance for the LPXS stability were investigated: The laser pointing and pulse energy fluctuations. These were experimentally determined using a beam profiler, capturing the beam profile of each laser pulse at 1 kHz. The relevance of these parameter fluctuations to the source stability is discussed based on these measurements. An existing LPXS setup was reconstructed in preparation for shot to shot stability measurements. A synchronized chopper system was built to decrease the laser pulse frequency for single pulsed mode and a program was developed for analyzing the x-ray photons captured by an x-ray CCD camera. Problems with the laser system prevented successful gathering of data within the time of the project. Future measurements based on these preparations will reveal the stability of the LPXS. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Det mänskliga ögat observerar världen i formen av synligt ljus med olika färger. Allt ljus kan beskrivas som elektromagnetiska vågor med en viss våglängd, längre våglängder ger rött och kortare ger violett ljus. Utanför det för ögat synliga ljuset finner man röntgenstrålning med våglängder mycket kortare än både violett och ultraviolett ljus. Ända sedan dess upptäckt för över 100 år sedan har man funnit mängder av användningsområden för denna typen av ljus. Röntgenstrålning passerar oförhindrat genom många fasta material och används därför inom sjukvården för att se inuti kroppen. Den korta våglängden gör det även möjligt att studera mycket små saker som annars är osynliga med vanligt ljus. Röntgenstrålning är därför ett utmärkt verktyg... (More)
Det mänskliga ögat observerar världen i formen av synligt ljus med olika färger. Allt ljus kan beskrivas som elektromagnetiska vågor med en viss våglängd, längre våglängder ger rött och kortare ger violett ljus. Utanför det för ögat synliga ljuset finner man röntgenstrålning med våglängder mycket kortare än både violett och ultraviolett ljus. Ända sedan dess upptäckt för över 100 år sedan har man funnit mängder av användningsområden för denna typen av ljus. Röntgenstrålning passerar oförhindrat genom många fasta material och används därför inom sjukvården för att se inuti kroppen. Den korta våglängden gör det även möjligt att studera mycket små saker som annars är osynliga med vanligt ljus. Röntgenstrålning är därför ett utmärkt verktyg inom forskning för att undersöka egenskaper hos molekyler och atomer.

Det finns många olika metoder idag för att producera röntgenstrålning. I detta arbete har en mycket speciell typ av röntgenkälla undersökts, nämligen en s.k.laser-plasma-röntgenkälla. Denna röntgenkälla genererar korta intensiva röntgenpulser likt en stark kamera blixt. Röntgenkällan fungerar genom att fokusera en stark laserpuls med en enorm effekt på 1.5 biljoner watt och en kortvarighet på 40 femtosekunder (femtonde decimalen av en sekund). Laserpulsen fokuseras på en vattenstråle inte mycket bredare än ett hårstrå. Då den intensiva laserpulsen träffar vattenytan värms ytan upp så pass kraftigt att molekylerna och atomerna slits isär, vilket bildar ett plasma likt solen, bestående utav fria joner och elektroner. Under den kortvariga, men mycket våldsamma interaktionen accelereras och kolliderar elektroner, vilket resulterar i en skarp blixt av röntgenstrålning.

Denna skarpa röntgenblixt kan riktas mot ett material som skall undersökas. När röntgenblixten interagerar med materialet kan ljuset som sänds ut från materialet detekteras av en mycket känslig detektor, likt den i en digitalkamera, där bilden kan återskapas. Den informationen som sensorn fångar in kan då analyseras för att ta reda på egenskaper hos materialet. Ju snabbare och intensivare röntgenblixten är destu bättre blir bildkvaliteten. Den extremt kortvariga röntgenblixten gör det möjligt att observera egenskaper hos molekyler och atomer med en mycket god upplösning. Likt en digitalkamera är det mycket viktigt att bildkvaliten är stabil och inte ändras mellan varje bild.

I detta arbete undersöks stabiliteten hos denna röntgenkällan genom att bestämma laserpulsens träffsäkerhet och styrka på den hårtunna vattenstrålen. Information om dess stabilitet kan användas för att i slutändan förbättra stabiliteten hos röngenkällan och på så vis förbättra bildkvaliteten med denna speciella kamera för framtida forskning. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
@misc{8778049,
  abstract     = {The use of laser based plasma x-ray sources (LPXS) has quickly expanded during the past decades due to rapid development of ultrafast laser systems. These sources are used in many research applications such as emission, absorption and particularly time-resolved spectroscopy. From the LPXS x-ray pulses are generated when an intense laser pulse is focused onto a liquid or solid interface in gas or vacuum. In this thesis we investigate the source stability which we define as the x-ray flux and spectrum reproducibility from each generated x-ray pulse. Understanding the stability is of great importance for its research applications. A basic theory of the LPXS is introduced describing relevant parameters for the source stability. Two parameters of relevance for the LPXS stability were investigated: The laser pointing and pulse energy fluctuations. These were experimentally determined using a beam profiler, capturing the beam profile of each laser pulse at 1 kHz. The relevance of these parameter fluctuations to the source stability is discussed based on these measurements. An existing LPXS setup was reconstructed in preparation for shot to shot stability measurements. A synchronized chopper system was built to decrease the laser pulse frequency for single pulsed mode and a program was developed for analyzing the x-ray photons captured by an x-ray CCD camera. Problems with the laser system prevented successful gathering of data within the time of the project. Future measurements based on these preparations will reveal the stability of the LPXS.},
  author       = {Parnefjord Gustafsson, Fredrik and Uhlig, Jens and Fullagar, Wilfred and El Nahhas, Amal},
  keyword      = {pulse energy,pointing,TES,transmission-edge-sensor,EXAFS,spectrum,spectroscopy,absorption,emission,time-resolved,Brunel mechanism,vacuum heating,water-jet,CCD,andor,LPXS,x-ray,plasma,laser,fluctuations,stability,pixel detector,beam profile sensor,resonant absorption,beam position},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Investigating the stability of a laser-based plasma x-ray source},
  year         = {2016},
}