A simulation framework for studying high intensity x-ray induced dynamics and scattering patterns from nanocrystals

Abstract

Eine Standardmethode für die Rekonstruktion der Proteinstruktur in seiner kristallinen Phase ist die Röntgenbeugung. Eine neue Generation von Röntgenstrahlungsquellen, wie der Freie-Elektronen-Laser für Röntgenstrahlung (XFEL), bietet neue Möglichkeiten für die biomolekulare Strukturbestimmung. Die extreme Intensität und die ultrakurze Pulsdauer eines XFEL-Pulses ermöglicht es, die Beugungstechnik auf Nanokristalle zu erweitern. Jedoch treten bei diesen Hochintensitätsmessungen signifikante atomare und elektronische Dynamiken auf, die das Beugungssignal beeinflussen. Die Simulation der Ionisationsdynamik eines bestrahlten Nanokristalls und das gebildete Beugungsmuster sind rechnerisch kostenintensiv. Um diesen Nachteil zu überwinden, habe ich eine Methodik entwickelt in Form speziell implementierter Computercodes. Diese Methodik habe ich auf spezifische Probleme angewandt: Zur Identifizierung von charakteristischen Merkmalen des räumlichen Strahlprofils geprägt durch das Streuungsmuster, die Analyse effektiver Formfaktoren bei hoher Intensität und in Studien zur Plasmabildung bei hohen Energiedichten.

A standard method of reconstructing the structure of a protein in its crystalline phase is by x-ray diffraction. New generation x-ray sources, the X-ray free-electron lasers (XFEL), provide novel opportunities for biomolecular structure determination. The extreme intensity and ultrashort pulse duration of an XFEL pulse make it feasible to extend the diffraction technique towards nano sized crystals. However, during a high-intensity measurement, significant atomic and electronic dynamics occur that affect the diffraction signal. Simulations of the ionization dynamics of an irradiated nanocrystal and the diffraction pattern formed are computationally expensive. To overcome this bottleneck, I have developed a methodology implemented as computer codes. I have applied the methodology for specific problems: for identifying the characteristic features of the spatial beam profile imprinted on the scattering pattern, analyzing effective form factors at high intensity and in studies of high energy density plasma formation.