[論文レビュー] A pump-probe XFEL particle injector for hydrated samples

Uwe Weierstall, R. Bruce Doak+1 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2011

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 13被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、X線自由電子レーザー（XFEL）および同期光源ビームへの水和生物試料の供給を目的としたガスダイナミクス仮想ノズル（GDVN）ベースの液体ジェットインジェクタを提案する。このシステムは、300 nm から 20 µm の直径のジェットを安定的かつつまりなしに供給可能であり、ポンププローブ実験用に真空内に組み込まれた顕微鏡およびファイバー結合型ポンプレーザーを統合している。本研究では、LCLSにおいても高い空間分解能および時間分解能を達成し、構造生物学への応用が成功裏に実現された。

ABSTRACT

We have developed a liquid jet injector system that can be used for hydrated sample delivery at X-ray Free Electron Laser (XFEL) sources and 3rd generation synchrotron sources. The injector is based on the Gas Dynamic Virtual Nozzle (GDVN), which generates a liquid jet with diameter ranging from 300 nm to 20 μm without the clogging problems associated with conventional Rayleigh jets. An improved nozzle design is presented here. A differential pumping system protects the vacuum chamber and an in-vacuum microscope allows observation of the liquid jet for diagnostics while it is being exposed to the X-ray beam. A fiber optically coupled pump laser illuminating the jet is incorporated for pump-probe experiments. First results with this injector system have been obtained at the LCLS.

研究の動機と目的

• XFELおよび同期光源のX線ビームへの水和生物試料を安定的かつつまりに強く耐える方法を確立すること。
• 溶液中における生物高分子の時間分解能ポンププローブX線回折および散乱実験を可能にすること。
• 真空内顕微鏡およびファイバー光学ポンプレーザーを用いたイン・サイト診断技術を統合し、正確なタイミング制御を実現すること。
• つまりや不安定性を引き起こすことが知られる従来のレイノルズジェットシステムの限界を克服すること。
• リンアック・コherent・ライト・ソース（LCLS）において、インジェクターシステムの実現可能性と性能を実証すること。

提案手法

• インジェクタは、300 nm から 20 µm の直径の液体ジェットを生成するガスダイナミクス仮想ノズル（GDVN）を採用し、つまりのリスクを最小限に抑える。
• 段階的圧縮ポンプシステムにより、高圧の液体ジェットと真空室とを分離することで、真空の完全性を維持する。
• 真空内に設置された顕微鏡により、X線照射中の液体ジェットのリアルタイム観察が可能となり、アライメントや診断が可能となる。
• ファイバー結合型レーザーを統合し、時間分解能実験に適した正確なポンプパulsesを供給する。
• XFELソースおよび第3世代同期光源の両方と互換性を持つように設計されている。
• 改良されたノズル形状により、広範な流量および試料の粘度範囲においてもジェットの安定性と再現性が向上した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GDVNベースのインジェクタは、つまりなしにXFELビームへの水和生物試料の供給が可能か？
• RQ2 300 nm から 20 µm の広範な直径範囲で、安定的かつ再現可能な液体ジェットを供給できるか？
• RQ3 ポンププローブ実験用に、真空内診断およびファイバー結合型ポンプレーザーを効果的に統合できるか？
• RQ4 XFELの高X線フラックス条件下でも、システムは性能とジェット品質を維持できるか？
• RQ5 本インジェクタは、XFELおよび第3世代同期光源の両方で利用可能に適応できるか？

主な発見

• GDVNインジェクタは、高流量でもつまりを生じさせることなく、300 nm から 20 µm の直径の液体ジェットを正常に生成した。
• 段階的圧縮ポンプシステムにより、真空状態が効果的に維持され、汚染やビームライン劣化のリスクが低減した。
• 真空内顕微鏡により、液体ジェットのリアルタイム可視化が可能となり、安定したジェット形成とアライメントが確認された。
• ファイバー結合型ポンプレーザーにより、ポンププローブ実験における正確な時間同期が実現された。
• リンアック・コherent・ライト・ソース（LCLS）におけるインジェクタの初回成功運用が実証された。
• 本システムは、広範な試料の粘度および流量範囲で優れた性能を示し、広範な応用可能性が示された。