Auto focus for electrons

Sammanfattning: Autofokus för elektroner Människan har alltid varit intresserad av att studera förlopp som skett så snabbt att de inte gått att observera med blotta ögat. Med hjälp av kameror med korta slutartider kan man frysa ett ögonblick i tiden. Processer i atomer och molekyler sker på en helt annan tidsskala än den vi är vana att fotografera. Atomerna lever i en värld där saker sker så fort att man behöver extremt korta ljusblixtar för att kunna fånga ögonblicket. Sådana korta ljusblixtar kallas för attosekundpulser. En attosekund är så kort att alla kemiska och atomära processer ser ut att vara frysta under denna korta tid. Elektronernas rörelse i och mellan atomer och molekyler är viktig att studera eftersom den avgör många kemiska egenskaper hos material. Den ger oss också insikter om hur grundläggande processer fungerar på dessa skalor. När ljus eller fotoner (ljuskvanta) träffar en atom så kan de absorberas och slå ut elektroner som är bundna till atomen, och jonisera den. Om man vet i vilken riktning och med vilken energi som elektronen skickades iväg så kan man räkna ut vad som hände precis innan elektronen lämnade sin atom. För att kunna bestämma, vilken energi och riktning elektronerna har så kan man använda en rörelsemängdsspektrometer. Den består av en metallcylinder med flera runda elektroder. En gas man vill studera injiceras i spektrometern och attosekund-pulser skjuts in i gasen och joniserar dess atomer. Genom att ställa in spänningarna över de olika elektroderna i spektrometern så kan man skapa elektrostatiska linser, med vilka man kan styra elektronerna. Målet är att alla elektroner med en viss riktning och energi ska hamna på samma punkt på en detektor. Precis som man med en vanlig kamera vill fokusera ljus så att man får en skarp bild så vill man fokusera elektronerna så att man får en skarp bild. Spektrometern fungerar alltså som en kamera för elektroner. De flesta moderna kameror har inbyggd autofokus som hittar rätt inställningar för att få en skarp och bra bild. Målet med det här arbetet har varit att skapa en liknande autofokus för spektrometern. Ett antal olika parametrar (knappar och rattar på kameran) styr hur elektronerna fokuseras på detektorn. Antalet parametrar kan i praktiken vara ganska stort. Därför har jag undersökt olika metoder som automatiskt letar efter bra inställningar bland en stor mängd möjligheter. Detta har åstadkommits med hjälp av datorsimuleringar av spektrometern. Det är ett svårt problem att hitta bra inställningar eftersom målet är att hitta lösningar som fungerar bra för flera olika energier. Bland annat presenterar jag en genetisk algoritm, en metod som är inspirerad av biologisk evolution, som en möjlig lösning på problemet. Resultatet av det här arbetet är flera olika datorprogram som kan användas av forskare som arbetar med spektrometern. Ett program kan användas för att simulera spektro-metern och visa resultatet av olika inställningar. Ett annat program kan hjälpa till att hitta de bästa inställningarna när man vill undersöka en viss typ av atomer eller molekyler.