高强度下空心原子形成对相干X射线散射的影响

X射线自由电子激光（FEL）是通过相干X射线散射确定大分子结构的有前景的工具。在原子尺度波长的超短超强X射线脉冲期间，样品会受到辐射损伤并可能高度电离，这可能会影响X射线散射图样的质量。我们开发了一套工具包，在统一的理论框架内处理原子的详细电离、弛豫和散射动力学。我们研究了包括辐射损伤在内的相干X射线散射问题，作为X射线FEL参数（如脉冲长度、通量和光子能量）的函数。我们发现，X射线散射强度在每个脉冲约10^7光子/Å^2的通量下达到饱和，但可以通过使用远短于内壳层空位态弛豫所涉及时间尺度的脉冲持续时间来最大化。在这些条件下，碳原子中的两个内壳层电子均被移除，所产生的空心原子在空间分辨率>1 Å时产生的散射图样质量损失很小。我们的数值结果预测，要从一个碳原子散射每个X射线脉冲0.1个光子，在1.7 Å的空间分辨率内，需要脉冲长度为1 fs、光子能量为12 keV时每个脉冲10^7光子/Å^2的通量。通过使用几百阿秒的脉冲长度，甚至可以抑制扩展系统中的二次电离过程。目前的结果表明，高亮度阿秒X射线FEL将是单个大分子单次成像的理想选择。