[논문 리뷰] A pump-probe XFEL particle injector for hydrated samples

Uwe Weierstall, R. Bruce Doak외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 11.

Advanced X-ray Imaging Techniques참고 문헌 13인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 X선 자유전자 레이저(XFEL) 및 싱크로트론 비출에 수화된 생물학적 샘플을 공급하기 위한 기계적 가상노즐(GDVN) 기반 액체 분사기 시스템을 제시한다. 이 시스템은 300 nm에서 20 µm의 직경을 가진 안정적이고 막힘 없는 분사 jet을 가능하게 하며, 펌프-프로브 실험을 위한 진공 내 현미경 및 섬유 결합 펌프 레이저를 통합하고, LCLS에서 고해상도 및 고시간 해상도로 성공적으로 작동함을 입증하였다. 생물학적 구조 분석에 응용 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• XFEL 및 싱크로트론 원천에서 수화된 생물학적 샘플을 신뢰성 있고 막힘에 강한 방법으로 공급하는 것.
• 용액 상태의 생물학적 거대분자에서 시간 분 giải 펌프-프로브 X선 회절 및 산란 실험을 가능하게 하는 것.
• 정확한 시간 제어를 위한 진공 내 진단 및 섬유 광학 펌프 레이저 통합을 위한 것.
• 기존 레일리 분사 시스템이 막힘과 불안정성으로 인해 애로를 겪는 문제점을 해결하는 것.
• 린악 코herent 라이트 소스(LCLS)에서 분사 시스템의 실현 가능성과 성능을 입증하는 것.

제안 방법

• 분사기는 300 nm에서 20 µm의 직경을 가진 액체 분사를 생성하기 위해 기계적 가상노즐(GDVN)을 사용하여 막힘 위험을 최소화한다.
• 차압 펌프 시스템이 고압 액체 분사와 진공실을 분리함으로써 진공의 무결성을 유지한다.
• 진공 내 현미경을 통해 X선 노출 중 액체 분사의 실시간 관찰이 가능하여 정렬 및 진단이 가능하다.
• 섬유 결합 레이저를 통합하여 시간 분해 실험을 위한 정밀한 펌프 펄스를 공급한다.
• XFEL 원천과 제3세대 싱크로트론 모두와의 호환성을 설계하였다.
• 향상된 노즐 기하학적 구조로 다양한 유량 및 샘플 점도 범위에서 분사의 안정성과 재현성을 향상시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GDVN 기반 분사기는 XFEL 비출에 수화된 생물학적 샘플을 막힘 없이 공급할 수 있는가?
• RQ2 분사기는 300 nm에서 20 µm의 광범위한 직경 범위에서 안정적이고 재현 가능한 액체 분사를 지원할 수 있는가?
• RQ3 펌프-프로브 실험을 위한 진공 내 진단 및 섬유 결합 펌프 레이저가 효과적으로 통합될 수 있는가?
• RQ4 XFEL에서 고강도 X선 플럭스 조건에서도 시스템은 성능과 분사 품질을 유지하는가?
• RQ5 이 분사기는 XFEL과 제3세대 싱크로트론 원천 양쪽 모두에서 사용 가능하게 적응될 수 있는가?

주요 결과

• GDVN 분사기는 고유량 조건에서도 막힘 없이 300 nm에서 20 µm의 직경을 가진 액체 분사를 성공적으로 생성하였다.
• 차압 펌프 시스템이 효과적으로 진공 조건을 유지하여 오염 및 비출선 열화를 방지하였다.
• 진공 내 현미경을 통해 액체 분사의 실시간 시각화가 가능하여 안정적인 분사 형성과 정렬을 확인할 수 있었다.
• 섬유 결합 펌프 레이저를 통해 펌프-프로브 실험의 정밀한 시간 동기화가 가능했다.
• 린악 코herent 라이트 소스(LCLS)에서 분사기의 첫 번째 성공적인 작동이 입증되었다.
• 다양한 샘플 점도와 유량 범위에서 높은 내구성과 성능을 보여, 광범위한 적용 가능성을 입증하였다.