Readout of delayline detectors with transient recorders

Die Coltrims-Methode hat sich seit den 1990er Jahren als gutes experimentelles Instrument in der Atomphysik und darüberhinaus etabliert. Sie beruht darauf, dass die bei einer Reaktion entstehenden Fragmente mit ortssensitiven Detektoren nachgewiesen werden. Die Signale der Detektoren wurden bisher mit einem analogen Vorverstärker verstärkt und dann mit Hilfe eines Constant Fraction Discriminators in digitale Signale umgewandelt. Die Zeitinformation der digitalen Signale wurden von Time to Digital Convertern aufgenommen und im Computer gespeichert. Mit dieser Form der Auslese und Analyse der von den Detektoren stammenden Signale können nur einige wenige Fragmente nachgewiesen werden. Die Lösung dieses Problems besteht also darin, eine neue Variante für die Auslese und Analyse der Signale zu finden. Diese wurde in der Verwendung eines Transientenrekorders gefunden. Anstatt nur die Zeitinformation zu speichern, nimmt dieser die gesamte Signalform der Detektoren auf. Die Aufgabe, die in dieser Arbeit bearbeitet werden sollte, bestand darin, eine Software zu entwickeln, mit deren Hilfe der Transientenrekorder gesteuert werden kann. Auch sollte ein Weg gefunden werden nur die für das Experiment notwendigen Informationen des aufgenommenen Zeitfensters zu speichern. Des Weiteren sollten Methoden aufgezeigt werden, wie die aufgenommen Signale untersucht und deren Parameter extrahiert werden können. Diese Methoden wurden dann an realen Signalen getestet. Nachdem im ersten Kapitel die Motivation zu dieser Arbeit und einige theoretische Hintergründe vorgestellt werden, wird im zweiten Kapitel auf verschiedene Methoden der Signalanalyse eingegangen. Der Augenmerk liegt dabei sowohl auf Einzel- sowie Doppelsignalanalyse. Die Güte der vorgestellten Algorithmen wird mit Hilfe von künstlichen Signalen ermittelt. Es zeigt sich, dass die beste Methode die zeitliche Position der Einzelsignale zu finden, der Pulsfit ist. Mit dieser Methode kann eine Auflösung von etwa 50 ps erzielt werden. Bei der Betrachtung der Doppelsignale stellt sich heraus, dass der minimale Abstand zwischen den Signalen 5 ns bis 7 ns betragen muss. Das dritte Kapitel zeigt eine Anwendung des neuen Aufnahmesystems. Dort werden die physikalischen Ergebnisse, die mit Hilfe des neuen Systems gewonnen werden konnten, mit einem herkömmlichen Aufnahmesystem verglichen. Aufgrund der geringeren Totzeit des neuen Aufnahmesystems konnte mehr Statistik gewonnen werden. Der dadurch gewonnene Vorteil zeigt sich deutlich in den Ergebnissen, bei denen eine vierfach Koinzidenz verlangt wird. Bei dem nächsten Kapitel beschriebenen Experiment mussten sehr viele Fragmente nachgewiesen werden. Hierzu wird ein weiteres Kriterium neben der Zeitsumme vorgestellt mit dem die Anodensignale einander zugewiesen werden können. Die in diesem Kapitel gezeigten physikalischen Ergebnisse zeigen die Impulsverteilungen für Neon und Helium für unterschiedliche Lichtintensitäten bzw. Ionisationsprozesse. Im darauf folgenden Kapitel wird beschrieben, wie die neue Aufnahmemethode dazu verwendet werden kann, die von den Detektoren kommenden Signale genauer zu analysieren. Die physikalische Reaktion führte dazu, dass von dem Detektor hauptsächlich Doppelsignale aufgenommen wurden. Dies erlaubt die Untersuchung der Doppelsignalalgorithmen an realen Signalen. Hierbei zeigte sich, dass die Totzeit bei realen Signalen vergleichbar mit der Totzeit bei künstlichen Signalen ist. Die Algorithmen können bei Abständen der Einzelsignale von weniger als 10 ns die Position der Signale nicht mehr genau bestimmen. Anhand der Pulshöhenverteilung kann gezeigt werden, dass der verwendete Detektor in der Mitte eine geringere Nachweiseffizienz hatte. Im letzten Kapitel wird die Güte der verschiedenen Methoden der Einzelsignalanalyse anhand von realen Signalen überprüft. Dabei wurden Signale desselben Detektors mit unterschiedlichen Vorverstärkern verstärkt. Die beiden Vorverstärker unterschieden sich in ihrer Bandbreitenbegrenzung. Die Daten wurden mit einem Transientenrekorder mit 2 GS aufgenommen. Es wird gezeigt wie diese Daten umgewandelt werden können, so dass sie einem System mit nur 1 GS entsprechen. Dies erlaubt es die Güte der Methoden für Signale eines Systems mit 2 GS mit denen eines Systems mit 1 GS zu vergleichen. Es zeigt sich in der Pulshöhenverteilung, dass die Signale des stärker bandbreitenbegrenzten Vorverstärkers vergleichbar mit den künstlichen Signalen sind. Die Signale des weniger stark bandbreitenbegrenzten Vorverstärkers weisen eine zu starke Abhängigkeit ihrer Breite von der Pulshöhe auf. Aus diesem Grund sind die Ergebnisse des letzt genannten Vorverstärkers abweichend von den Ergebnissen mit den künstlichen Signalen. Bei diesem Vorverstärker zeigte der einfache Constant Fraction Algorithmus die beste Auflösung.The COLTRIMS method (COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) has been established since the 1990er years as a successful experimental instrument in atomic physics and other fields. It is based on the fact that atomic fragments created in a reaction are detected with position- and time-sensitive detectors. Until now, the signals of the detectors were amplified with a preamplifier and converted then with the help of constant fraction discriminators into digital signals which are suitable for a timing measurement. The timing information of the digital signals are recorded with Time to Digital Converters and stored in the computer. With this scheme of detection and analysis of the signals coming from the detectors only a few fragments from a reaction can be recognized (resolved?). Thus, the solution of this problem consists of finding a new way for the readout and analysis of the signals. This was found with the use of a transient recorder. Instead of storing only the timing information, this method samples the entire detector signal, i.e. its waveform. The task of the presented work consists in the development of software to operate the transient recorders under the conditions of a real experiment. Another task was to find a proper method of analyzing the recorded signals. Several methods were tested with simulated and real detector signals. In the first chapter the motivation to this work and some theoretical background are presented. In the second chapter methods to analyze single pulses and trains of overlapping pulses are presented. The quality of the presented algorithms is determined by signals created artificially in software. It is shown that the best temporal resolution - for case of non-overlapping pulses - is obtained with a pulse fit. With this method a resolution of approximately 50 ps is achieved. In order to disentangling overlapping pulses a minimum distance in time between the pulses of at least 5 ns to 7 ns peak to peak is necessary. The third chapter shows an application of the new recording system where results of the new recording method are compared to those obtained with the traditional method. Due to the decreased dead time of the new method one could gather more statistics in the presented experiment. This shows dramatically for the cases where a quadruple coincidence, i.e. the simultaneous detection of four particles, is required. The next chapter presents another experiment in which an even larger amount of fragments had to be detected. In order to cope with this requirement further criteria to assign the measured signal to its originating particle is presented. In this chapter results from photo ionization of helium and neon are shown. The momentum distributions for both species are presented for different intensities of the ionizing light and different ionization processes. The next chapter consist of another application of the methods developed in this work on a real experiment: the reaction examined leads in many cases to two particles that need to be detected within a time of only 30 ns. This allows for a detailed investigation of the algorithms that separates overlapping pulses with real signals from an experiment. It turns out that the dead time for real signals is comparable to that of simulated signals. The algorithms cannot accurately determine the timing of two signals that are separated in time by less than 10 ns. On the basis of the pulse height distribution it can be shown that the used detector had smaller efficiency at its center. In the last chapter the quality of the different methods of the single pulse analysis is examined on the basis of real signals. Signals of the same detector were recorded with different preamplifiers. The two preamplifiers differed by their bandwidth limitation. The data were recorded with a transient recorder set to record with 2 GS. It is shown how these data can be converted to correspond to signals recorded at lower sampling rates of only 1 GS in order to allow for a comparison. It is shown that the signals recorded with the peamplifier with a lower bandwidth are comparable to the signals created in the simulation. The signals obtained with the preamplifier with higher bandwidth show a strong dependance of the signal width on the height of the signal. For this reason the results for that preamplifier are deviating from the results of the artificial signals. With this preamplifier a simple constant fraction algorithm showed the best resolution

Ionisation und Anregung von Wasserstoff- und Deuteriummolekülen mit Synchrotronstrahlung

In dieser Arbeit wurden Ergebnisse der Untersuchungen mit Synchrotronstrahlung, welche mit Hilfe der COLTRIMS-Methode gewonnen wurden, an Wasserstoff H2 und Deuterium D2 vorgestellt. Dabei wurde im Besonderen der Zerfall von doppelt angeregten repulsiven Zuständen der Moleküle betrachtet. Die Dissoziation der Moleküle, die auf solche Zustände angeregt worden sind, beginnt sofort. Zu einem gewissen Zeitpunkt findet die Autoionisation statt, dabei spiegelt die Aufteilung der Gesamtenergie auf KER und Elektronenenergie direkt den internuklearen Abstand der Kerne wider. So kann der Zeitpunkt der Autoionisation bestimmt werden. Die Messung der KERs entspricht hierbei dem Ablesen einer Stoppuhr, die bei der Absorption des Photons gestartet wurde. Die Autoionisation wird durch die Bewegung der Nukleonen induziert, weshalb die Autoionisationsbreite stark vom internuklearen Abstand abhängt. Dies zeigt sich in den beobachteten Strukturen der KER-Verteilung. In dieser Arbeit konnte erstmals auch die Winkelverteilung der Autoionisations- Elektronen gemessen werden. Dabei wurde eine starke Abhängigkeit vom KER und damit vom Zerfallskanal beobachtet. Bei einer Photonen-Energie von 30 eV zeigte sich ein deutlicher Isotopeneffekt bei Wasserstoff. Dieser kann nicht durch direkte Ionisation erklärt werden. Deshalb wird angenommen, dass durch Autoionisation hervorgerufen wird. Hierbei spielen die unterschiedlichen Massen der Isotope eine Rolle. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Autoionisation der beiden Isotope bei unterschiedlichen Kernabstnden stattfand. Die gezeigten Winkelverteilungen wurden nicht erklrt. Bei einer Photonen-Energie von 36 eV wurden die KER-Spektren von Wasserstoff und Deuterium untersucht. Die KER-Spektren, in welchen erstmals die Endzustnde H+ + H(n = 1) und H+ + H(n = 2) voneinander getrennt werden konnten, zeigten eine ausgeprägte Struktur. Die Mechanismen, die einzelne Maxima in den Strukturen hervoruft, wurden ausführlich dargestellt. Bei der Untersuchung wurden die Winkelverteilungen für diese Maxima im KER-Spetrum zu Hilfe genommen. Die gemessenen Winkelverteilungen spiegeln den Drehimpuls des emittierten Elektrons wider. In den Ergebnissen sind überraschende und bisher noch nicht erklärte Beitrge von delta-ml = +/- 2 beobachtet worden. Es wurden die Winkelverteilungen von emittierten Elektronen bei Ereignissen, die im Endzustand H+ +H(n = 2) enden, für verschiedene Photonen-Energien untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass die Winkelverteilungen bei niedrigen Photonen-Energien um 36 eV anisotrop, mit einem Maximum entlang der molekularen Achse, sind. Bei zunehmenden Photonen-Energien werden die Winkelverteilungen um ca. 45 eV isotrop. Bei höheren Energien werden sie wieder anisotrop, weisen hier jedoch ein Maximum entlang der Polarisationsachse auf. Die Ergebnisse wurden mit denen von Ito et al. [ito00], welcher nur Photonen-Energien im Bereich von 45 eV bis 72 eV untersuchte, verglichen. Sie stimmen sehr gut berein, was darauf zurckschlieen lsst, dass die beobachteten Verteilungen hauptschlich durch direkte Photoionisation auf die angeregten Zustände und des H+2 -Ions erklären lassen. Die um 36 eV beobachtete Anisotropie könnte durch die nicht hundertprozentige Polarisation des Photonenstrahl der Beamline hervorgerufen worden sein

Progress and Poverty—1965 Version

The first hard X-ray laser, the Linac Coherent Light Source (LCLS), produces 120 shots per second. Particles injected into the X-ray beam are hit randomly and in unknown orientations by the extremely intense X-ray pulses, where the femtosecond-duration X-ray pulses diffract from the sample before the particle structure is significantly changed even though the sample is ultimately destroyed by the deposited X-ray energy. Single particle X-ray diffraction experiments generate data at the FEL repetition rate, resulting in more than 400,000 detector readouts in an hour, the data stream during an experiment contains blank frames mixed with hits on single particles, clusters and contaminants. The diffraction signal is generally weak and it is superimposed on a low but continually fluctuating background signal, originating from photon noise in the beam line and electronic noise from the detector. Meanwhile, explosion of the sample creates fragments with a characteristic signature. Here, we describe methods based on rapid image analysis combined with ion Time-of-Flight (ToF) spectroscopy of the fragments to achieve an efficient, automated and unsupervised sorting of diffraction data. The studies described here form a basis for the development of real-time frame rejection methods, e. g. for the European XFEL, which is expected to produce 100 million pulses per hour. (C)2014 Optical Society of Americ

A data set from flash X-ray imaging of carboxysomes

Citation: Hantke, M. F., Hasse, D., Ekeberg, T., John, K., Svenda, M., Loh, D., . . . Maia, F. R. N. C. (2016). A data set from flash X-ray imaging of carboxysomes. Scientific Data, 3. doi:10.1038/sdata.2016.61Ultra-intense femtosecond X-ray pulses from X-ray lasers permit structural studies on single particles and biomolecules without crystals. We present a large data set on inherently heterogeneous, polyhedral carboxysome particles. Carboxysomes are cell organelles that vary in size and facilitate up to 40% of Earth's carbon fixation by cyanobacteria and certain proteobacteria. Variation in size hinders crystallization. Carboxysomes appear icosahedral in the electron microscope. A protein shell encapsulates a large number of Rubisco molecules in paracrystalline arrays inside the organelle. We used carboxysomes with a mean diameter of 115±26 nm from Halothiobacillus neapolitanus. A new aerosol sample-injector allowed us to record 70,000 low-noise diffraction patterns in 12 min. Every diffraction pattern is a unique structure measurement and high-throughput imaging allows sampling the space of structural variability. The different structures can be separated and phased directly from the diffraction data and open a way for accurate, high-throughput studies on structures and structural heterogeneity in biology and elsewhere

Ab initio structure determination from experimental fluctuation X-ray scattering data.

Fluctuation X-ray scattering (FXS) is an emerging experimental technique in which X-ray solution scattering data are collected from particles in solution using ultrashort X-ray exposures generated by a free-electron laser (FEL). FXS experiments overcome the low data-to-parameter ratios associated with traditional solution scattering measurements by providing several orders of magnitude more information in the final processed data. Here we demonstrate the practical feasibility of FEL-based FXS on a biological multiple-particle system and describe data-processing techniques required to extract robust FXS data and significantly reduce the required number of snapshots needed by introducing an iterative noise-filtering technique. We showcase a successful ab initio electron density reconstruction from such an experiment, studying the Paramecium bursaria Chlorella virus (PBCV-1)

Mapping spin-correlations with hard X-ray free-electron laser

Time-resolved X-ray diffraction from Ga091Mn0 09As was recorded with a hard X-ray free-electron-laser. The influence of spin-orders on phonons was investigated; our result suggests a new method for mapping the spin-correlations in low doped magnetic systems, especially the short-range spin-correlation

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Time-resolved X-ray diffraction from Ga091Mn0 09As was recorded with a hard X-ray free-electron-laser. The influence of spin-orders on phonons was investigated; our result suggests a new method for mapping the spin-correlations in low doped magnetic systems, especially the short-range spin-correlation

Protein structure determination by single-wavelength anomalous diffraction phasing of X-ray free-electron laser data

Serial femtosecond crystallography (SFX) at X-ray free-electron lasers (XFELs) offers unprecedented possibilities for macromolecular structure determination of systems that are prone to radiation damage. However, phasing XFEL data de novo is complicated by the inherent inaccuracy of SFX data, and only a few successful examples, mostly based on exceedingly strong anomalous or isomorphous difference signals, have been reported. Here, it is shown that SFX data from thaumatin microcrystals can be successfully phased using only the weak anomalous scattering from the endogenous S atoms. Moreover, a step-by-step investigation is presented of the particular problems of SAD phasing of SFX data, analysing data from a derivative with a strong anomalous signal as well as the weak signal from endogenous S atoms