V. Rossi-Albertini per conto del gruppo di lavoro sperimentale SPARC/SPARX Primi esperimenti con SPARC FEL light Terzo Meeting Generale Collaborazione LI 2 FE Frascati, 12 marzo 2010

Esperimento 1 : Fotoionizzazione multifotonica di atomi a 540 nm (ion detection) Ripetizione dei primi esperimenti di Amburgo da eseguire, però, a 540 nm: misura con spettrometro a tempo di volo degli ioni prodotti dall’interazione della radiazione di SPARC con un fascio gassoso Scopo: misure di ion yield in funzione dei parametri della radiazione (primo tra tutti, l’intensità ) Configurazione del tipo di M. Richter a FLASH Phys. Rev. Lett. 99 (2007) Phys. Rev. Lett. 102 (2009)

Se la ripetizione dell’esperimento avrà successo, si potrebbe utilizzare come bersaglio, anzichè un gas nobile, una molecola poliatomica (con un numero non troppo grande di atomi ) e studiarne la fotoframmentazione in funzione dell’intensità della radiazione incidente.

Esperimento 2 : Osservazione di ATI di atomi a 540 nm (electron detection) Le intensità aspettate dovrebbero rendere possibile la ionizzazione singola a più fotoni di atomi di gas nobili. Come riferimento si può usare il lavoro di McIlrath et al. Phys. Rev. A35 (1987) 4611, in cui è stato osservato la produzione di bande ATI in Kr and Xe usando un NdYAG a 1064 e 532 nm.

Schema del processo

Componenti dell’apparato sperimentale (in costruzione) Dettaglio della zona di interazione Camera da vuoto Spettrometro a tempo di volo per ioni

Nella stessa camera si potrebbe inserire uno spettrometro a tempo di volo per elettroni. Quest’ultimo può rappresentare una diagnostica per la caratterizzazione temporale delle armoniche di SPARC attraverso esperimenti di cross-correlation. Questioni aperte Beam dump : cosa produce e come sono schermati gli esperimenti ? Ondulatore : per quanto si estende all’esterno il campo magnetico ? Che tipo di rumore elettrico ci si aspetta nella sala di SPARC ? Quali spazi sono disponibili per un set-up sperimentale ? Problematiche connesse agli esperimenti allineamento in remoto della camera o soluzione con ottiche (controllate in remoto) per il trasporto del fascio? focalizzazione del fascio misurazione della potenza (ed eventualmente della durata) prima o dopo l’esperimento ? possibilità di portare il fascio in una sala sperimentale esterna a quella della macchina ? electron beam : dove si separa dai fotoni ?

A diffraction pattern represents the intensity of an X-ray radiation elastically scattered by a sample as a function of the momentum transfer  p. If the system under measurement is isotropic, the scattering depends no longer on the direction of  p but on its magnitude q (scattering parameter) only: q (  ) =  sin (  =1.014 Å -1 /keV) (E = energy of the electromagnetic radiation, 2 =scattering angle) Diffraction modes: Angular vs.Energy Dispersive Esperimento 3: collaudo della tecnica del pump&probe stocastico

To scan a certain q range, two possibilities are available: 1.to make an angular scan, keeping E fixed Angular Dispersive mode (ADXD). 2. to make an angular scan, keeping fixed Energy Dispersive mode (EDXD). In the first case a monochromatic X-ray beam must be used, in the second, a continuous polychromatic (white) beam

Time invariant crystal analyser White X pulse Optical pulse splitting Pump optical component Beam splitter Schematic setup of the experiment Streak camera Sample Mirror Optical pulse Sample irradiation Diffraction of the white X pulse Reference optical component Dispersion

X-ray diffracted pulse Reference optical pulse Energy Time Delay time  i Energy spectrum of the diffracted pulse

Energy Time 11 Delay time Observable 11 22 22 33 33

The delay time  is to be regarded as a random variable. The only constrain is that  must be shorter than the sweep time of the streak camera (otherwise the two pulses cannot be both visualized in a single scan). Therefore, instead of fixing  deterministically and a priory, for instance through a delay line, it is measured a posteriori as the sampling of a stochastic variable (like in the Montecarlo method). In this way, the  -space is progressively populated by repeating many times the diffraction experiment (construction of the ensemble of events by many repetitions of the experiment).

By fitting or deconvolving the spots produced by the two pulses (shorter than the resolution time of the streak camera), a higher temporal resolution than that of the streak camera itself can be obtained!!! Where’s the trick??? We already know the FEL pulse shape in the time domain: It does not have to be measured by the streak camera… The pulse distribution in the time domain is  -like. Therefore, what actually appears on the streak camera monitor is the transfer function of the camera itself, which can be fully characterized prior to the experiment

This kind of experiments requires preliminary knowledge and practice with the detecting system, which can be gained by working at lower energies. The tests can be carried out at SPARC, by using a conventional (optical) steak camera and suitable samples for diffractometric and spectroscopic investigations. Reference: “ Time-Resolved Energy Dispersive Diffraction from X-FEL spontaneous emission: A proposal for sub-picosecond pumps & probe structural investigations ”, V. Rossi Albertini, B. Paci, P. Perfetti, NIM A 533, (2004)