核波束振動の観測

参考文献:
T. Katayama et al., Nat. Commun. 10, 3606 (2019).

化学結合形成の可視化

参考文献:
K. H. Kim et al., Nature 518, 385 (2015).

金属酸化物のキャリアダイナミクス

参考文献:
Y. Uemura et al., Angew. Chem. Int. Ed. 55, 1364 (2016).

SPINETTは試料チャンバー、Von Hamos型分光器、MPCCD検出器から構成されています。

試料チャンバー

多くの場合、試料は溶媒に溶かし（分散させ）、溶液の状態でインジェクターからジェット状に吐出します。インジェクターの径は30~500 μmの間から選択することができます。（同期レーザーとXFELの媒質中の屈折率の違いから生じる群速度分散のミスマッチが計測の時間分解能に影響を与えるため、追跡したい物理現象に応じて選択します。）チャンバー内部には、2つのX線強度モニターが備わっており、TR-XASの実験の際には入射X線強度と試料からの蛍光X線強度を計測することができます。

Von Hamos型分光器

SPINETTは、TR-XESの実験のためエネルギー分散型の分光器を2つ備えています。分光器はそれぞれ、100mm×25mmの湾曲分光結晶（湾曲半径250mm）を6つ搭載可能です。現在利用可能な分光結晶として、Si(531)、Si(111)、Ge(111)、Ge(220)があります。独自の分光結晶を持ち込まれる場合、標準機器との干渉を避ける必要があるため、施設スタッフと十分な打ち合わせが必要です。事前にXFEL利用研究推進室(このメールアドレスはスパムボットから保護されています。閲覧するにはJavaScriptを有効にする必要があります。)までお問い合わせください。

MPCCD検出器

von Hamos型分光器のため2つのSingle MPCCD検出器を、TR-XSSのため広角領域をカバーできるSWD Octal MPCCD検出器を試料チャンバーの外に配置しています。SWD Octal MPCCD検出器のカメラ長は、最短で~55 mmです。最短のカメラ長では、10keVで3.88Å^-1、15keVで5.82Å^-1の逆格子空間をカバーできます。

MPCCD

時間分解X線分光の実験は主にBL3 EH2で実験を行なっています。

XFELパラメータ

参考文献:
M. Yabashi et al., J. Synchrotron Rad. 22, 477 (2015).
K. Tono et al., J. Synchrotron Rad. 26, 595 (2019).

（参考）光子エネルギーとパルスエネルギー・光子数の関係（BL3の場合）

X線集光特性

*使用するレンズの数や波長に依存します。

参考文献:
T. Katayama et al., J. Synchrotron Rad. 26, 333 (2019).

光学レーザー特性

上記に加え、光パラメトリック増幅器（OPA: Optical Parametric Amplifier）からの光を利用可能です。使用可能な波長域は0.25-2.6 µmで、下図のようにパルスエネルギーは波長に依存します。

ビームタイム前・ビームタイム中にスタッフが行うこと

• ・装置を実験ハッチに搬入
• ・XFELのスペクトル測定、光軸調整、集光調整
• ・モノクロメーターのアライメント

参考文献:
T. Katayama et al., J. Synchrotron Rad. 26, 333 (2019).

• ・von Hamos型分光器のアライメント
• ・4象限スリットのアライメント
• ・MPCCD検出器のアライメント
• ・同期レーザースペクトル、光軸、集光の調整
• ・XFELと同期レーザーの位置合わせ
• ・高速PDを使ったXFELと同期レーザーのタイミング調整

ビームタイム中にユーザーが行うこと

• ・持ち込み装置設置・アライメント
• ・試料の交換
• ・インジェクターの交換
• ・試料（インジェクター）の位置調整
• ・精密な時間原点の決定（TimeZeroFinder）

アライメント

• ・溶液ジェットの中心にXFELが照射されるようインジェクターの位置を調整
• ・同期レーザーの条件を適切に設定（delay、励起強度）
• ・同期レーザーがOnとOffの場合の差分信号を計測し、光励起に伴う過渡応答を検出
• ・同期レーザーの励起強度依存性を計測し、多光子過程が起こる閾値を決定。
• ・同期レーザーのdelay依存性を計測し、時間原点を精密に決定。
• ・ジェットが不安定になったり、詰まった場合はインジェクターの交換をし、インジェクターの位置を再調整。

ソフトウェア

時間分解X線分光（TR-XAS、TR-XES、TR-XSS）のデータ処理ソフトとして、OfflineAnalysis（python+Qt4）が利用可能です。詳細はこのメールアドレスはスパムボットから保護されています。閲覧するにはJavaScriptを有効にする必要があります。までお問い合わせください。

タイミングモニター

フェムト秒の時間分解能を得るためには、タイミングモニターを利用して計測終了後にデータを並べ替える必要があります。

参考文献:
T. Katayama et al., Struct. Dyn. 3, 034301 (2016).
K. Nakajima et al., J. Synchrotron Rad. 25, 592 (2018).

プレスリリース

論文発表

Observation of nuclear wave packet oscillation

References:
T. Katayama et al., Nat. Commun. 10, 3606 (2019).

Visualization of chemical bond formation

References:
K. H. Kim et al., Nature 518, 385 (2015).

Carrier dynamics of metal oxides

References:
Y. Uemura et al., Angew. Chem. Int. Ed. 55, 1364 (2016).

SPINETT consists of a sample chamber, a Von Hamos spectrometer, and an MPCCD detector.

Sample chamber

In many cases, the sample is dissolved (dispersed) in a solvent, then discharged as a solution from the injector in the form of a jet. The diameter of the injector can be selected from 30 to 500 μm (the mismatch of group velocity dispersion caused by differences in the refractive index in synchronous lasers and the XFEL medium effects the time resolution of the measurement, so it must be selected according to the physical phenomenon you want to track). Inside the chamber, two X-ray intensity monitors are provided to measure the incident X-ray intensity and X-ray fluorescence intensity from the sample during TR-XAS experiments.

Von Hamos spectrometer

SPINETT is equipped with two energy dispersed spectrometers for TR-XES experiments. Both of the spectrometers can mount six 100 mm × 25 mm curved analyzer crystals (radius of curvature 250 mm). Currently available analyzer crystals include Si(531), Si(111), Ge(111) and Ge(220). When bringing in your own analyzer crystals, a meeting with the facility staff is required, as it is necessary to avoid interfering with the standard equipment. Please contact the XFEL Utilization Division (このメールアドレスはスパムボットから保護されています。閲覧するにはJavaScriptを有効にする必要があります。 ) in advance.

MPCCD detector

Two single MPCCD detectors for the Von Hamos spectroscope are available, and an SWD Octal MPCCD detector that can cover a wide-angle area for the TR-XSS measurements is located outside of the sample chamber. The minimum camera length for the SWD Octal MPCCD detector is ~55 mm. The minimum camera length can cover the reverse lattice space of 3.88Å^-1 at 10keV and 5.82Å^-1at 15keV.

MPCCD

Time-resolved X-ray spectrometry experiments are mainly conducted at BL3EH2.

XFEL parameters

References:
M. Yabashi et al., J. Synchrotron Rad. 22, 477 (2015).
K. Tono et al., J. Synchrotron Rad. 26, 595 (2019).

(Reference) The relationship between the photon energy and the pulse energy/photon number (for BL3)

X-ray focusing special characteristics

*Depending on the wavelength and number of lenses used

References:
T. Katayama et al., J. Synchrotron Rad. 26, 333 (2019).

Optical laser characteristics

In addition to the above, light from the optical parametric amplifier (OPA) is available. The available wavelength range is 0.25-2.6 µm, and the pulse energy depends on the wavelength as shown below.

What staff do before and during beam time

• ・Bring equipment into the experimental hutch
• ・XFEL spectral measurements, optical axis adjustments, focusing adjustments
• ・Monochromator alignments

References:
T. Katayama et al., J. Synchrotron Rad. 26, 333 (2019).

• ・Von Hamos spectrometer alignment
• ・4 quadrant slit alignments
• ・MPCCD detector alignment
• ・Synchronous laser spectrum, optical axis and focusing alignments
• ・XFEL and synchronous laser matching
• ・Timing adjustments of XFEL and the synchronous laser using high-speed PD

What the user does during beam time

• ・Install and align all user provided equipment
• ・Sample exchange
• ・Injector exchange
• ・Sample (injector) location adjustment
• ・Precise origin time decisions (TimeZeroFinder)

Alignment

• ・Adjust the position of the injector so that the XFEL is irradiated at the center of the solution jet
• ・Properly set the conditions of the synchronous laser (delay, excitation intensity)
• ・Measure the difference signal when the synchronous laser is on and off, then detect the transient response associated with photoexcitation
• ・Measure the excitation intensity dependence of the synchronous laser to determine the threshold at which the multiphoton process occurs
• ・Measure the delay dependence of the synchronous laser to precisely determine the time origin
• ・If the jet becomes unstable or clogged, replace the injector and readjust the position of the injector

Software

OfflineAnalysis (python + Qt4) is available as data processing software for time-resolved X-ray spectrometry (TR-XAS, TR-XES, TR-XSS). Please contact the このメールアドレスはスパムボットから保護されています。閲覧するにはJavaScriptを有効にする必要があります。 for more details.

Timing Monitor

To obtain the time resolution in femtoseconds, the data must be sorted after the measurement is completed by using the timing monitor.

References:
T. Katayama et al., Struct. Dyn. 3, 034301 (2016).
K. Nakajima et al., J. Synchrotron Rad. 25, 592 (2018).

Press release

Papers published