Understanding space charge effects is central for the development of high-brightness ultrafast electron diffraction and microscopy techniques for imaging material transformation with atomic scale detail at the fs to ps timescales. We present methods and results for direct ultrafast photoelectron beam characterization employing a shadow projection imaging technique to investigate the generation of ultrafast, non-uniform, intense photoelectron pulses in a dc photo-gun geometry. Combined with N-particle simulations and an analytical Gaussian model, we elucidate three essential space-charge-led features: the pulse lengthening following a power-law scaling, the broadening of the initial energy distribution, and the virtual cathode threshold. The impacts of these space charge effects on the performance of the next generation high-brightness ultrafast electron diffraction and imaging systems are evaluated.

1.
R.
Srinivasan
,
V. A.
Lobastov
,
C.-Y.
Ruan
, and
A. H.
Zewail
,
Helv. Chim. Acta
86
,
1763
(
2003
).
2.
A.
Gahlmann
,
S. T.
Park
, and
A. H.
Zewail
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
10
,
2894
(
2008
).
3.
B. J.
Siwick
,
J. R.
Dwyer
,
R. E.
Jordan
, and
R. J. D.
Miller
,
J. Appl. Phys.
92
,
1643
(
2002
).
4.
W. E.
King
,
G. H.
Campbell
,
A.
Frank
,
B.
Reed
,
J. F.
Schmerge
,
B. C.
Stuart
, and
P. M.
Weber
,
J. Appl. Phys.
97
,
111101
(
2005
).
5.
A. H.
Zewail
and
J. M.
Thomas
,
4D Electron Microscopy: Imaging in Space and Time
(
Imperial College Press
,
London
,
2010
).
6.
G.
Sciaini
,
M.
Harb
,
S. G.
Kruglik
,
T.
Payer
,
C. T.
Hebeisen
,
F. -J. M.M.
Heringdorf
,
M.
Yamaguchi
,
M. H.
von Hoegen
,
R.
Ernstorfer
, and
R. J. D.
Miller
,
Nature
458
,
56
(
2009
).
7.
R. K.
Raman
,
R. A.
Murdick
,
R. J.
Worhatch
,
Y.
Murooka
,
S. D.
Mahanti
,
T. R.
Han
, and
C.-Y.
Ruan
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
123401
(
2010
).
8.
J. S.
Kim
,
T.
LaGrange
,
B. W.
Reed
,
M. L.
Taheri
,
M. R.
Armstrong
,
W. E.
King
,
N. D.
Browning
, and
G. H.
Campbell
,
Science
321
,
1472
(
2008
).
9.
D. H.
Dowell
,
I.
Bazarov
,
B.
Dunham
,
K.
Harkay
,
C.
Hernandez-Garcia
,
R.
Legg
,
H.
Padmore
,
T.
Rao
,
J.
Smedley
, and
W.
Wan
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
622
,
685
(
2010
).
10.
S. J.
Russel
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
507
,
304
(
2003
).
11.
T.
van Oudheusden
,
E. F.
de Jong
,
S. B.
van de Geer
,
W. P. E. M. O.
Root
,
O. J.
Luiten
, and
B. J.
Siwick
,
J. Appl. Phys.
102
,
093501
(
2007
).
12.
P.
Musumeci
,
J. T.
Moody
,
C. M.
Scoby
,
M. S.
Gutierrez
, and
M.
Westfall
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
063502
(
2010
).
13.
B. E.
Carlsten
and
S. J.
Russell
,
Phys. Rev. E
53
, R
2072
(
1996
).
14.
L.
Veisz
,
G.
Kurkin
,
K.
Chernov
,
V.
Tarnetsky
,
A.
Apolonski
,
F.
Krausz
, and
E.
Fill
,
New J. Phys.
9
,
451
(
2007
).
15.
P.
Baum
and
A. H.
Zewail
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
103
,
16105
(
2006
).
16.
X. J.
Wang
,
D.
Xiang
,
T. K.
Kim
, and
H.
Ihee
,
J. Korean Phys. Soc.
48
,
390
(
2006
).
17.
J. B.
Hastings
,
F. M.
Rudakov
,
D. H.
Dowell
,
J. F.
Schmerge
,
J. D.
Cardoza
,
J. M.
Castro
,
S. M.
Gierman
,
H.
Loos
, and
P. M.
Weber
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
184109
(
2006
).
18.
J. A.
Berger
,
J. T.
Hogan
,
M. J.
Greco
,
W. A.
Schroeder
,
A. W.
Nicholls
, and
N. D.
Browning
,
Microsc. Microanal.
15
,
298
(
2009
).
19.
R. K.
Raman
,
Z.
Tao
,
T. R.
Han
, and
C.-Y.
Ruan
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
059901
(
2010
).
20.
A.
Janzen
,
B.
Krenzer
,
O.
Heinz
,
P.
Zhou
,
D.
Thien
,
A.
Hanisch
,
F. J.
Meyer zu Heringdorf
,
D.
von der Linde
, and
M.
Horn von Hoegen
,
Rev. Sci. Instrum.
78
,
013906
(
2007
).
21.
L. A.
Lobastov
,
R.
Srinivasan
, and
A. H.
Zewail
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
102
,
7069
(
2005
).
22.
T.
LaGrange
,
M. R.
Armstrong
,
K.
Boyden
,
C. G.
Brown
,
G. H.
Campbell
,
J. D.
Colvin
,
W. J.
DeHope
,
A. M.
Frank
,
D. J.
Gibson
,
F. V.
Hartemann
,
J. S.
Kim
,
W. E.
King
,
B. J.
Pyke
,
B. W.
Reed
,
M. D.
Shirk
,
R. M.
Shuttlesworth
,
B. C.
Stuat
,
B. R.
Torrala
, and
N. D.
Browning
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
044105
(
2006
).
23.
T.
Srinivasan-Rao
,
J.
Fischer
, and
T.
Tsang
,
J. Appl. Phys.
69
,
3291
(
1990
).
24.
X.
Jiang
,
C. N.
Berglund
,
A. E.
Bell
, and
W. A.
Mackie
,
J. Vac. Sci. Technol. B
16
,
3374
(
1998
).
25.
M.
Aidelsburger
,
F. O.
Kirchner
,
F.
Krausz
, and
P.
Baum
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
107
,
19714
(
2010
).
26.
L. M.
Rangarajan
and
G. K.
Bhide
,
Vacuum
30
,
515
(
1980
).
27.
C.-
Y.
Ruan
,
Y.
Murooka
,
R. K.
Raman
,
R. A.
Murdick
,
R. J.
Worhatch
, and
A.
Pell
,
Microsc. Microanal.
15
,
323
(
2009
).
28.
K.
Chang
,
R. A.
Murdick
,
Z.
Tao
,
T. -R. T.T.
Han
, and
C.-Y.
Ruan
,
Mod. Phys. Lett. B
25
,
2099
(
2011
).
29.
B.-L.
Qian
and
H. E.
Elsayed-Ali
,
J. Appl. Phys.
91
,
462
(
2002
).
30.
K. L.
Jensen
,
P. G.
O’Shea
,
D. W.
Feldman
, and
N. A.
Woody
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
224103
(
2006
).
31.
K. L.
Jensen
,
P. G.
O’Shea
,
D. W.
Feldman
, and
J. L.
Shaw
,
J. Appl. Phys.
107
,
014903
(
2010
).
32.
B. W.
Reed
,
J. Appl. Phys.
100
,
034916
(
2006
).
33.
A. M.
Michalik
and
J. E.
Sipe
,
J. Appl. Phys.
99
,
054908
(
2006
).
34.
A. M.
Michalik
and
J. E.
Sipe
,
J. Appl. Phys.
105
,
084913
(
2009
).
35.
S.
Hellmann
,
K.
Rossnagel
,
M.
Marczynski-Buhlow
, and
L.
Kipp
,
Phys. Rev. B
79
,
035402
(
2009
).
36.
X. J.
Zhou
,
B.
Wannberg
,
W. L.
Yang
,
V.
Brouet
,
Z.
Sun
,
J. F.
Douglas
,
D.
Dessau
,
Z.
Hussain
, and
Z. X.
Shen
,
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
142
,
27
(
2005
).
37.
W. F.
Krolikowski
and
W. E.
Spicer
,
Phys. Rev. B
1
,
478
(
1970
).
38.
S.
Passlack
,
S.
Mathias
,
O.
Andreyev
,
D.
Mittnacht
,
M.
Aeschlimann
, and
M.
Bauer
,
J. Appl. Phys.
100
,
024912
(
2006
).
39.
D. H.
Dowell
and
J. F.
Schmerge
,
Phys. Rev. ST Accel. Beams
12
,
074201
(
2009
).
40.
K. L.
Jensen
,
D. W.
Feldman
,
N. A.
Woody
, and
P. G.
O’Shea
,
J. Appl. Phys.
99
,
124905
(
2006
).
41.
D. R.
Lide
,
CRC Handbook of Chemistry and Physics
, 74th ed. (
CRC
,
Boca Raton, FL
,
1993
).
42.
A.
Valfells
,
D. W.
Feldman
,
M.
Virgo
,
P. G.
O’Shea
, and
Y. Y.
Lau
,
Phys. Plasmas
9
,
2377
(
2002
).
43.
P.
Musumeci
,
J. T.
Moody
,
R. J.
England
,
J. B.
Rosenzweig
, and
T.
Tran
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
244801
(
2008
).
44.
O. J.
Luiten
,
S. B.
van der Geer
,
M. J.
de Loos
,
F. B.
Kiewiet
, and
M. J.
van der Wiel
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
094802
(
2004
).
45.
T.
van Oudheusden
,
P. L. E. M.
Pasmans
,
S. B.
van de Geer
,
M. J.
de Loos
,
M. J.
van der Wiel
, and
O. J.
Luiten
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
264801
(
2010
).
46.
J. M.
Zuo
,
I.
Vartanyants
,
M.
Gao
,
R.
Zhang
, and
L. A.
Nagahara
,
Science
300
,
1419
(
2003
).
47.
J. A.
Berger
and
W. A.
Schroeder
,
J. Appl. Phys.
108
,
124905
(
2010
).
49.
R. K.
Shelton
,
L.
Ma
,
H. C.
Kapteyn
,
M. M.
Murnane
,
J. L.
Hall
, and
J.
Ye
,
Science
293
,
1286
(
2001
).
50.
H.
Zhang
and
M.
Berz
,
Nucl. Instrum. Methods Phys, Res. A
645
,
338
(
2011
).
51.
C. T.
Hebeisen
,
G.
Sciaini
,
M.
Harb
,
R.
Ernstorfer
,
T.
Dartigalongue
,
S. G.
Kruglik
, and
R. J. D.
Miller
,
Opt. Express
16
,
3334
(
2008
).
52.
P.
Musumeci
,
J. T.
Moody
,
C. M.
Scoby
,
M. S.
Gutierrez
, and
T.
Tran
,
Rev. Sci. Instrum.
80
,
013302
(
2009
).
You do not currently have access to this content.