Inelastic x-ray scattering as a probe for temperature of transient states

Abstract

A significant portion of experimental research conducted at X-ray Free-Electron Lasers (XFELs) is dedicated to the exploration of transient and extreme states of matter, often generated by lasers. These states, such as highly ionized plasmas and high-pressure matter similar to planetary interiors, exist only for nanoseconds or less. Yet, their properties play crucial roles amongst others in planetary evolution and inertial confinement fusion (ICF) target ignition. A comprehensive understanding of these extreme states requires knowledge of all thermodynamic parameters, with temperature measurement emerging as a particularly challenging task. This thesis describes endeavors to establish high-resolution inelastic X-ray scattering (IXS) at XFELs as a diagnostic tool for the temperature measurement of short-lived transient states. The initial section presents the commissioning results of the IXS setup at the High Energy Density (HED) scientific instrument at the European XFEL, accompanied by a static proof-of-principle temperature measurement in diamond utilizing the detailed balance of phonons. Subsequently, the thesis explores the adaptation of the detailed balance technique to dynamically driven samples. In a high-repetition rate experiment, a laser is employed to excite iron to a short-lived state at elevated temperatures. Finally, experimental data is presented wherein high-resolution IXS is utilized to measure Doppler broadening, providing temperature information through the Maxwell-Boltzmann velocity distribution. The results showcase the temperature evolution of the ions in a gold foil following excitation with an ultra-short laser pulse, enabling conclusions about the electron-ion coupling parameter. This work contributes to the advancement of IXS as a diagnostic tool for unraveling the complex temperature dynamics of transient states created in intense laser-solid interactions.

Ein beträchtlicher Teil der experimentellen Forschung an Röntgen-Freie-Elektronen-Lasern (XFELs) widmet sich der Erforschung von kurzlebigen, extremen Materiezuständen, die oft durch Laser erzeugt werden. Diese Zustände, wie hochionisierte Plasmen und Hochdruckzustände ähnlich dem Inneren von Planeten, existieren nur für Nanosekunden oder kürzer. Dennoch spielen ihre Eigenschaften entscheidende Rollen unter anderem in der Entwicklung von Planeten und der Zündung von Trägheitsfusion. Ein umfassendes Verständnis dieser extremen Zustände erfordert Kenntnisse aller thermodynamischen Parameter, wobei sich die Temperaturmessung als besonders anspruchsvolle Aufgabe herausgestellt hat. Diese Arbeit beschreibt, wie hochauflösende inelastische Röntgenstreuung (IXS) an XFELs als Diagnose für die Temperaturmessung kurzlebiger transienter Zustände etabliert wird. Der erste Abschnitt präsentiert die Ergebnisse der Inbetriebnahme des IXS-Aufbaus am High Energy Density (HED) wissenschaftlichen Instrument am European XFEL, begleitet von einer statischen Machbarkeitsmessung der Temperatur in Diamant unter Verwendung von detailed balance der Phononen. Anschließend erforscht die Arbeit die Anpassung des detailed balance-Prinzips für dynamisch getriebene Proben. In einem Experiment wird ein Laser mit hoher Wiederholungsrate eingesetzt, um Eisen in einen transienten Zustand bei erhöhten Temperaturen zu versetzen. Schließlich werden experimentelle Daten präsentiert, bei denen hochauflösende inelastische Röntgenstreuung zur Messung der Doppler-Verbreiterung verwendet wird und so Temperaturinformationen durch die Maxwell- Boltzmann-Geschwindigkeitsverteilung zugänglich werden. Die Ergebnisse zeigen die Temperaturentwicklung der Ionen in einer Goldfolie nach Anregung mit einem ultrakurzen Laserpuls und ermöglichen Schlussfolgerungen über den Elektron-Ion-Kopplungsparameter. Diese Arbeit trägt zur Weiterentwicklung von IXS als Diagnosetechnik bei, um die komplexen Temperaturdynamiken kurzlebiger Zustände zu erfassen, die in intensiven Laser-Festkörper-Wechselwirkungen auftreten.