قياس الأشعة السينية شعاع بالاتساق على طول الاتجاهات متعددة باستخدام 2-D شطرنج المرحلة المشبك

الهدف العام من هذا الإجراء هو قياس التماسك المستعرض لشعاع الأشعة السينية، في خط شعاع سينكروترون، باستخدام قياس التداخل المتدرج. الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي قدرتها على قياس خاصية التماسك لشعاع الأشعة السينية في اتجاهات متعددة في آن واحد، وذلك باستخدام تدرجات ثنائية الأبعاد. وبالرغم من أنه تم عرض هذه الطريقة في خط الشعاع 1-BM في مصدر الفوتونات المتقدم، إلا أنه يمكن تطبيقها على أي خط شعاع سينكروترون.

تعد صناعة محزوزات ثنائية الأبعاد أمراً بالغ الأهمية لقياس الظروف المختلفة للترابط في حزمة الأشعة. ويتطلب إنشاء محزوز الطور أولاً تصنيع قالب للطلاء الكهربائي. ونقطة البداية لهذا العرض التوضيحي هي قطعة مُجهزة من رقاقة السيليكون.

هذه هي طبقة الذهب الموجودة على الوجه العامل للعينة التي يبلغ قياسها 15 millimetre by 15 millimetre. وعلى الجانب المقابل من العينة، توجد نافذة من نيتريك السيليكون يبلغ قياسها 5 millimetre by 5 millimetre. تظهر المزيد من تفاصيل العينة في هذا المقطع العرضي التخطيطي.

توجد طبقة من السيليكون المحفور في قلب العينة. ويغطي السيليكون في الجانب التشغيلي للعينة طبقة من نيتريك السيليكون منخفض الإجهاد. وفوق نيتريك السيليكون، توجد طبقة من الكروم بسمك 5 nanometre، تليها طبقة من الذهب بسمك 30 nanometre.

في الجزء السفلي، تم كشط نتريد السيليكون لإنشاء نافذة تؤدي إلى سطح العمل. ابدأ بنقل العينة إلى جهاز طلاء المقاوم بـ dore-spin، وقم بتحميلها. ثم ضع محلول مقاوم PMMA على الجانب المكون من الذهب والكروم من العينة.

شغّل جهاز الطلاء الدوراني لتشكيل غشاء من مادة المقاومة بالسماكة المطلوبة. عند الانتهاء، قم بإزالة العينة من جهاز الطلاء الدوراني، ثم ضعها على لوح تسخين مضبوط عند 180 °C لمدة دقيقة واحدة لإزالة المذيب المتبقي من الغشاء.

بعد اكتمال عملية الخبز، يتم نقل العينة إلى نظام رسم صخري بالشعاع الإلكتروني بجهد 100 kiloelectron volt، وتحميلها في الجهاز. استخدم نظام الرسم الصخري لتعريض مادة PMMA لنمط التدرج. وفي النمط المستخدم في هذا البروتوكول، ستكون المناطق الحمراء هي المعرضة، وبالتالي ستصبح قابلة للذوبان في المظهر.

عند الانتهاء، استرجع العينة وقم بتجهيزها للتظهير. انقل العينة إلى خزانة استخلاص الأدخنة. جهز هناك محلولًا من isopropyl alcohol ومياه منزوعة الأيونات للتظهير، وكأسًا يحتوي على isopropyl alcohol للشطف.

ضع العينة في سائل الإظهار، واتركها لتنغمس، قبل تدوير الحاوية بلطف لمدة 30 إلى 40 ثانية لتدوير المحلول. ومع تقدم عملية الإظهار، يصبح نمط التدرج على السطح العامل مرئيًا. بعد خطوة الإظهار، أخرج العينة واغمرها في دورق يحتوي على isopropyl alcohol.

اتركه هناك لمدة 30 ثانية، مع تحريك الكأس بلطف. أخرج العينة، وجففها باستخدام تدفق غاز النيتروجين. عندما تكتمل عملية تطوير العينة وتنظيفها، انتقل إلى مرحلة الطلاء الكهربائي لشبكة الذهب.

يتطلب ذلك تجهيزات طلاء كهربائي، تتكون من كؤوس زجاجية تحتوي على محلول طلاء كهربائي يعتمد على كبريتيت الذهب، يتم تسخينه إلى 40 °C، مع وجود مصعد من شبكة البلاتين في المحلول، ومصدر طاقة بتيار مستمر. اغمر العينة في محلول كبريتيت الذهب لتعمل كمهبط. ثم قم بتشغيل مصدر الطاقة بتيار مستمر، واضبط التيار المناسب لطلاء الذهب بمعدل الطلاء المطلوب.

عند الوصول إلى السمك المطلوب، أوقف عملية الطلاء الكهربائي، واشطف العينة بالماء منزوع الأيونات. أخرج العينة من الشطف، وجففها بواسطة تدفق النيتروجين. بعد ذلك، قم بتجهيز مذيب مسخن على لوح تسخين، وذلك لإزالة قالب البوليمر.

اغمر العينة في المذيب، واتركها فيه لمدة تتراوح من 15 إلى 30 دقيقة. أخرج العينة، ثم ابدأ بشطفها في كحول الإيزوبروبيل، ثم جففها. هذه هي العينة بعد اكتمال خطوات إضافة محزز طور رقعة الشطرنج ثنائي الأبعاد.

التقط صورًا للمجينة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح للعينة كجزء من عملية الفحص، وذلك للتأكد من تحقيق فترة الشبكة ودورة التشغيل وسُمك الشبكة المطلوبة. في هذه الصورة، تم إمالة الشبكة نفسها للخلف بزاوية 35 درجة، لتوفير منظور إضافي. تابع التحضير لقياسات الترابط في مقصورة التجارب بالمنشأة.

في هذا العرض التوضيحي، سيمر الشعاع عبر محزز الطور، ويسقط على كاشف CCD هذا. تقع عدسة الشيء الخاصة بالكاشف خلف لوحة. يستخدم هذا الإعداد عدسة شيئية بقوة تكبير 10 مرات، مما يساعد في تحليل أصغر نمط تداخل.

بعد ذلك، قم بوضع وميض الكاشف (detector scintillator) من أجل التركيز التقريبي. ضع وميض الكاشف على مسافة العمل من العدسة، وهي هنا حوالي 5.2 millimetres. أغلق جميع الألواح قبل الانتقال إلى غرفة التحكم.

ابدأ بضبط التركيز في غرفة التحكم من خلال تعديل موضع العدسة الشيئية عن بُعد. راقب شاشات غرفة التحكم لمتابعة التركيز في ظل وجود الضوء المحيط في مقصورة التجارب. وبعد ضبط التركيز، عد إلى مقصورة التجارب.

قم بنقل الكاشف ثنائي الأبعاد إلى مسار شعاع الأشعة السينية، الموضح هنا بواسطة شعاع ليزر. قم بمركزة الشعاع باستخدام مراحل الإزاحة الرأسية والأفقية. ومن أجل إجراء تركيز دقيق، ضع عينة طورية في مسار شعاع الأشعة السينية.

تعتبر قطعة من الفوم (styrofoam)، توضع على منصة المحزز، كافية. في غرفة التحكم، راقب نمط تشتت الأشعة السينية (X-ray)، واضبط موضع العدسة الشيئية حتى يتم تحقيق أعلى درجة من حدة الصورة. حان الوقت الآن لتركيب المحزز لإجراء قياسات التماسك.

هذه هي شبكة الحيود الطورية ذات الرقعة الشطرنجية ثنائية الأبعاد، بعد تركيبها في مجمع مرحلة الشبكة. حرك شبكة الحيود الطورية ذات الرقعة الشطرنجية ثنائية الأبعاد إلى الموضع الذي سيتم فيه قياس تماسك الحزمة. من غرفة التحكم، اضبط مستوى شبكة الحيود الطورية لتكون عمودية على حزمة الأشعة السينية.

بعد ذلك، راقب الصور، واستخدم مراحل الإزاحة الآلية لتركيز المحزز في خط شعاع الأشعة السينية. ثم قم بتدوير المحزز حول اتجاه شعاع الأشعة السينية. والهدف من ذلك هو جعل قطر نمط لوحة الشطرنج موازياً لاتجاه الشعاع المستعرض المطلوب.

في هذه الحالة، يتم ذلك على طول الاتجاهين الرأسي والأفقي. استمر في الضبط الدقيق، عن طريق التدوير حول محور عمودي على شعاع الأشعة السينية، لزيادة فترات مخطط التداخل (interferogram) إلى الحد الأقصى، في الاتجاهين الأفقي والرأسي. من غرفة التحكم، قم بتشغيل مرحلة الإزاحة لتحريك الكاشف.

يجب أن تكون الحركة بحيث يتم وضع الكاشف في أقرب نقطة ممكنة من محزز الطور، على طول اتجاه الشعاع. وبمجرد استقراره في مكانه، يتم تسجيل مخطط تداخل، باستخدام وقت التعريض المناسب، وهو في هذه الحالة أربع ثوانٍ. بعد ذلك، يتم تشغيل مرحلة الإزاحة مرة أخرى لتحريك الكاشف.

باستخدام أدوات التحكم في منصة الإزاحة، حركها بمقدار محدد على طول مسار الشعاع، يتم اختياره لتوليد بيانات كافية. استمر في تسجيل المخططات التداخلية (interferograms)، وتحريك الكاشف، حتى الوصول إلى أقصى مسافة بين المحززة والكاشف. بالنسبة لهذا النظام، تبلغ المسافة النهائية بين المحززة والكاشف حوالي 750 millimetres للمخططات التداخلية الأخيرة.

لإكمال عملية جمع البيانات، قم بإيقاف تشغيل شعاع الأشعة السينية. بعد ذلك، وباستخدام نفس وقت التعرض المستخدم في قياس مخططات التداخل، قم بالتقاط صورة للإطار المظلم. وقد تم قياس مخططات التداخل هذه باستخدام شبكة طور لوحة الشطرنج ثنائية الأبعاد الموصوفة في البروتوكول النصي.

يتوافق مخطط التداخل هذا مع قياسات الرؤية عند مسافة تالبوت الأولى على طول خط الانتشار، وذلك عند قيمة مسافة بين الشبكة والكاشف تبلغ 83 millimetres. أما هذا النمط، فهو لمسافة تالبوت الرابعة، عند 579 millimetres. وينتج عن تحويل فوريه السريع للبيانات الموجودة في مخططات التداخل قمم توافقية توفر معلومات حول الطبيعة الدورية لمخطط التداخل.

تقع ذروة الرتبة صفر في مركز الصورة، وتحديداً في مركز مربع أحمر. أما ذروة الرتبة الأولى عند صفر درجة، فتقع في مركز مربع أخضر. توجد أربع ذروات مستقلة من الرتبة الأولى، عند الزوايا 0 و45 و90 و135 درجة، والتي يمكن من خلالها الحصول على مستوى الرؤية على طول كل اتجاه.

فيما يلي تطور الرؤية، عند درجة صفر، كدالة في المسافة بين المحزز والكاشف. تم تمثيل البيانات التجريبية بدوائر زرقاء. أما الدوائر الحمراء، فهي البيانات التي تم اختيارها حول مسافات تالبوت، وذلك من أجل مطابقة الغلاف الغاوسي.

يعطي التحليل رابط تماسك يبلغ 3.6 micrometers. ويوفر تحليل مماثل لبيانات الرؤية، عبر جميع الاتجاهات الأربعة، هذا التقدير لخريطة التماسك. ولا يلزم سوى استخدام مخططات التداخل، عند مسافات التصوير الذاتي، للحصول على روابط التماسك.

بمجرد إتقان هذه التقنية، يمكن تنفيذها في غضون بضع ساعات إذا تم تطبيقها بشكل صحيح. وأثناء محاولة إجراء هذا الإجراء، من المهم اختيار المحزز ذو الفترة المثلى لكل قياس. وبعد تطويرها، مهدت هذه التقنية الطريق للباحثين في مجال بصريات الأشعة السينية لتطوير بصريات تحافظ على التماسك من أجل مصادر الضوء من الجيل القادم.