「SACLA 利用装置提案課題」
報告書 2 (研究内容)「SACLA 利用装置提案課題」で整備した「単分子光電子回折計」の 3D 図を図１に示す。

Spatial overlap monitor:
蛍光板導入 XYZ ステージ

レーザー反射チェンバー

YAG レーザー
Temporal overlap monitor:
APD detector

Velocity map imaging

EUV-FELspectrometers

レーザー導入チェンバー

図１

単分子光電子回折計の３次元図

パルス YAG レーザーは、レーザー導入チェンバー内に設置したミラーで反射され、衝突中心の集光点で EUV-FEL と合流する。衝突中心を通過した YAG レーザーおよび EUV-FEL は、レーザー反射チェンバー内のメッシュで反射され APD 検出器でそれらのパルス波形が測定される。衝突中心で生成された光電子および光イオンは、
velocity map imaging spectrometers でそれらの運動量分布が測定される。パルス分子線は、紙面の左手奥から右手前に向かって衝突中心を通過して噴出される。

図１の「単分子光電子回折計」を用いて、試験加速器 SCSS からの EUV-FEL を利用した予備実験を実施したので、以下にその結果を報告する。

【分子配向用の YAG とプローブの FEL との temporal overlap】
レーザー反射チェンバー内のメッシュで反射され APD 検出器で測定されたレーザーパルスの出力をデジタルオシロスコープで記録した。パルス YAG レーザーと EUV-FEL のパルス波形を図２に示す。パルス YAG レーザーのパルス幅（FWHM=10ns）は広いので、temporal overlap の調整は容易である。パルス YAG レーザーのピークトップが EUV-FEL のパルスのピークトップと重なるように、パルス YAG レーザーの外部トリガーのディレイを変えて調整して temporal overlap を実現した（図２(c)）。

(a)

(b)

(c)

図２

レーザーのパルス波形(a) YAG レーザーのパルス波形(b) EUV-FEL のパルス波形(c) (YAG レーザー)+( EUV-FEL)のパルス波形
2【分子配向用の YAG とプローブの FEL の spatial overlap】
spatial overlap monitor 用の蛍光板を、衝突中心（集光点）を通過するように差し込んで、蛍光板で反射される IR の YAG レーザーをマイクロスコープで結像し CCD カメラでモニターした。図３に、CCD カメラで撮影した YAG レーザーの集光イメージを示す。この実験では、不調だったビーム・エキスパンダーを使っていないために、集光サイズは~φ300μm となっている。ビーム・エキスパ
ンダーを使った場合の集光サイズは、~φ100μm 以下になるように光学系は設計されている（この集光サイズでは、パルス YAG レーザーの強度は~1TW/cm2 になり、断熱的に分子を配向させることができる）。次のステップで、EUV-FEL が蛍光板に当たって発する蛍光をマイクロスコープで結像しCCD カメラでモニターすることを試みた。EUV-FEL の集光イメージを図４に示す。YAG レーザーの集光イメージが EUV-FEL の集光イメージを包括するように、YAG レーザービームを微調して同期実験をおこなった。

図３YAG レーザーの集光イメージ

図４EUV-FEL の集光イメージ3

【光電子の２次元運動量画像】
58nm(21.4eV)の EUV-FEL の光電離で放出される Ar3p 光電子（運動エネルギー = 5.6eV）の 2次元運動量画像を図 5 の左図に示す。
x-軸は EUV-FEL の進行方向で、ｙ-軸は EUV-FEL の偏光方向。
図 5 は、Ar3p 光電子の 3 次元運動量分布を x-y 面に射影したものとなっている。リングの外周の明るい部分の偏光方向に対する強度分布は、実験室系における Ar3p 光電子の角度分布を与える。
58nm の EUV-FEL と temporal & spatial overlap させたパルス YAG レーザーを照射して、Ar3p光電子のサイドバンドの測定を試みた（図 5 の右図）。しかし、この図からわかるように、充分な強度でサイドバンドを測定することはできなかった。この原因は、パルス YAG レーザーの集光が不十分で、YAG レーザーの強度（~0.1TW/cm2）が弱かったために、サイドバンドが充分な強度で現れなかったものと思われる。

PyPy

PxPx
図5

Ar3p 光電子の 2 次元運動量画像

左図：EUV-FEL

右図：EUV-FEL＋YAG4

【解離イオンの２次元運動量画像】
CS2 のパルス分子線に 60.2nm(20.6eV)の EUV-FEL を照射した時の time-of-flight mass
spectrum を図６に示す。ここで、検出器の MCP に目的の解離イオン種に相当する flight time にパルス・ゲートを印加すると、目的の解離イオン種だけの２次元運動量画像を得ることが出来る。その一例（CS+解離イオンの運動量画像）を図７の左図に示す。中心部の明るい円は運動エネルギーが小さな CS+解離イオンで、薄くて大きな円は運動エネルギーが大きな CS+解離イオンに相当する。
60.2nm の EUV-FEL と temporal & spatial overlap させたパルス YAG レーザーを照射して、YAGレーザーの偏光方向に配列した CS2 分子からの CS+解離イオンの運動量画像の測定を試みた（図７の右図）。しかし、この図からわかるように、YAG レーザー電場が在る無しに関わらず、CS+解離イオンの運動量画像に差異は見られなかった。この原因は、パルス YAG レーザーの集光が不十分で、YAGレーザーの強度（~0.1TW/cm2）が弱かったために、ランダムに配向した CS2 分子を十分に配列させることができたかったためと思われる。
0 .2 0Intensity (arb.units)S+

0 .1 5CS

0 .1 0He+

N20 .0 5H++C+O

CS2+++S2+(C S 2 ) 2+0 .0 0- 0 .0 5- 0 .0 0 0 0 1 0- 0 .0 0 0 0 0 50 .0 0 0 0 0 00 .0 0 0 0 0 5F lig h t tim e ( s e c )図６

CS2 分子の time-of-flight mass spectrum

PyPyPx
図７Px
CS+解離イオンの２次元運動量画像

左図：EUV-FEL

右図：EUV-FEL＋YAG5

【2 色シグナルの検出】
CS2 のパルス分子線に 60.2nm(20.6eV)の EUV-FEL を照射した時の価電子軌道の光電子 2 次元
運動量画像を逆 Abel 変換した画像を図８に示す。この運動量画像を変換して、光電子のエネルギースペクトルにしたものを図９に示す。この光電子スペクトルには、価電子軌道の光電子 e1 に加えて、以下の逐次イオン化過程による CS2＋分子イオンからの光電子 e2 も現れている。
CS2 + h(FEL)→ CS2+ + e1(1)CS2+ + h(FEL)→ CS22+ + e2(2)この実験で用いた、EUV-FEL のパルス強度(~0.1TW/cm2)の領域では、２価の分子イオン（CS2２＋）
生成の主たるチャンネルは逐次イオン化であることが、本光電子測定によって初めて直接的な方法で明らかにされたことになる。

6g

Intensity (arb.units)

1400

Py-1

1200

5u

1000-12u

800-12g

600-1400
200
00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Photoelectron kinetic energy (eV)Px
図８

CS2 分子の光電子の 2 次元運動量画像

図９

CS2 分子の光電子スペクトル60.2nm の EUV-FEL と temporal & spatial overlap させたパルス YAG レーザーを照射して測定した CS2 分子の光電子 2 次元運動量画像を図１０に示す。YAG レーザーを同期させることによって、運動エネルギー0.24eV の光電子に相当する中心近くの明るいスポットが新たに現れた。

Py
図１０ CS2 分子の光電子の 2 次元運動量画像
EUV-FEL＋YAGPx6この運動エネルギー0.24eV の光電子の由来は、以下の３段階によるものと同定された。
CS2 + h(FEL)→ CS2+ + e1

(3)

CS2+ + h(FEL) → CS2+(5u-1ndg) + e2

(4)

CS2+(5u-1ndg) + h(YAG) → CS2+(5u-1) + e3(0.24eV)(5)

す な わ ち 、 そ の 光 電 子 は 、 1(FEL)+1(YAG) の Resonance Enhanced Multi-Photon Ionization(REMPI)によるものであることを確認した。この REMPI 過程は ndg リュードベルク軌道の YAG レーザーによる光イオン化なので、YAG レーザーの強度（~0.1TW/cm2）が弱くとも、十分なシグナル強度が得られている。上の３段階の反応では、(4)と(5)過程が興味深い。(4)の過程は、→の電気双極子遷移なので、EUV-FEL の偏光ベクトルの方向に配列した CS2+イオンのアンサンブルが選択的にリュードベルク状態へ励起されている。したがって、(5)の過程では、リュードベルク状態励起の配列した CS2+(5u-1ndg)イオンのリュードベルク軌道（ndg）を配列方向に平行な偏光ベクトルを持つYAG レーザーで光イオン化している。この条件の下では、ndg→pu, fu 遷移が光学許容であるが、ndg→pu は minor component なので、ndg→fu 遷移が支配的となる。実際のところ、図１０の運動エネルギー0.24eV の光電子に相当する中心近くの明るいスポットの部分を極座標表示したところの図１１から明確にわかるように、運動エネルギー0.24eV の光電子の角度分布は、fu 様の角度分布になっているが実証された。
ここで説明した実験成果：“配列した励起分子イオンからの光電子の角度分布測定”は、世界に前例が無い。
Exp.
fitting

0330303006027090240120210150180

図１１

運動エネルギー0.24eV の光電子角度分布の極座標表示

EUV-FEL および YAG レーザーの偏光ベクトルは 0°―180°の方向．
励起 CS2+イオンは 0°―180°の方向に配列している．

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ここで報告したように、光電子回折計の心臓部である Velocity Map Imaging spectrometer (VMI)
は設計どおりの性能が得られていることを確かめた。ここでは、報告していないが、放射光軟 X 線アンジュレータ光を利用した VMI のテスト・オペレーションでも、設計どおりの性能が得られていることを確認した。さらには、EUV-FEL とパルス YAG レーザーとの temporal & spatial overlap を高精度で安定に実現する計測法も確立した。その結果の反映が、1(FEL)+1(YAG)の REMPI 実験の成功をもたらした。YAG レーザー用のビーム・エキスパンダーが不調だったために、高強度（~1TW/cm2）のパルス YAG レーザーを使うことはできなかったが、高品質のビーム・エキスパンダーを導入することによって、これは容易に克服できる。
EUV-FEL では、「単分子光電子回折計の整備」の本来の目的である光電子の回折実験はできないので、「単分子光電子回折計の整備」を推進するために SACLA からの XFEL の早期の利用が望まれる。

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