Measurement bias in self-heating x-ray free electron laser experiments from diffraction studies of phase transformation in titanium

衍射 激光器 辐照 相(物质) 材料科学 自由电子激光器 梁(结构) 光学 偏压 原子物理学 化学 物理 电压 核物理学 有机化学 冶金 量子力学
作者
Orianna B. Ball,Rachel Husband,J. McHardy,M. I. McMahon,C. Strohm,Zuzana Konôpková,Karen Appel,Valerio Cerantola,A. L. Coleman,Hyunchae Cynn,Anand Dwivedi,Alexander F. Goncharov,H. Graafsma,Larissa Q. Huston,Huijeong Hwang,Johannes Kaa,Jaeyong Kim,Egor Koemets,Torsten Laurus,Xinyang Li
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:136 (11)
标识
DOI:10.1063/5.0215908
摘要

X-ray self-heating is a common by-product of X-ray Free Electron Laser (XFEL) techniques that can affect targets, optics, and other irradiated materials. Diagnosis of heating and induced changes in samples may be performed using the x-ray beam itself as a probe. However, the relationship between conditions created by and inferred from x-ray irradiation is unclear and may be highly dependent on the material system under consideration. Here, we report on a simple case study of a titanium foil irradiated, heated, and probed by a MHz XFEL pulse train at 18.1 keV delivered by the European XFEL using measured x-ray diffraction to determine temperature and finite element analysis to interpret the experimental data. We find a complex relationship between apparent temperatures and sample temperature distributions that must be accounted for to adequately interpret the data, including beam averaging effects, multivalued temperatures due to sample phase transitions, and jumps and gaps in the observable temperature near phase transformations. The results have implications for studies employing x-ray probing of systems with large temperature gradients, particularly where these gradients are produced by the beam itself. Finally, this study shows the potential complexity of studying nonlinear sample behavior, such as phase transformations, where biasing effects of temperature gradients can become paramount, precluding clear observation of true transformation conditions.

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