Name: 2次元チェッカーボード位相格子を使用して複数の方向に沿ってX線ビームコヒーレンスの測定 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-10-11T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 39 s
Description: 学ぶX線ビームの横方向コヒーレンス測定法。2次元チェッカーボード位相格子を用いて複数方向のコヒーレンス特性を同時に評価し、シンクロトロン光源の特性解析に応用します。

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>jove_content<アルゴンヌ国立研究所が米国エネルギー省(DOE)科学局のために運営する科学ユーザー施設であるAdvanced Photon SourceおよびCenter for Nanoscale Materialsの使用は、契約番号に基づいて米国エネルギー省(DOE)の科学部門によって運営されていました。DE-AC02-06CH11357。データ処理中に多くの有益な提案をくださった Han Wen 博士 (NHLBI / National Institutes of Health, Bethesda, MD 20892, USA) に感謝いたします。

<ol><li>Als-Nielsen, J., McMorrow, D. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAls-Nielsen%2C+J+%22Elements+of+Modern+X-ray+Physics%22">Elements of Modern X-ray Physics</a>. , 2nd, John Wiley & Sons Ltd. (2011).</li>
<li>Born, M., Wolf, E. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBorn%2C+M+%22Principle+of+Optics%22">Principle of Optics</a>. , 7th expanded edition, Cambridge University. (1999).</li>
<li>Lin, J. J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+the+Spatial+Coherence+Function+of+Undulator+Radiation+using+a+Phase+Mask%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Measurement of the Spatial Coherence Function of Undulator Radiation using a Phase Mask.</a> Phys. Rev. Lett. 90 (7), 074801(2003).</li>
<li>Cloetens, P., Guigay, J. P., De Martino, C., Baruchel, J., Schlenker, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fractional+Talbot+imaging+of+phase+gratings+with+hard+X-rays%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Fractional Talbot imaging of phase gratings with hard X-rays.</a> Opt. Lett. 22 (14), 1059-1061 (1997).</li>
<li>Guigay, J. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+partial+Talbot+effect+and+its+use+in+measuring+the+coherence+of+synchrotron+X-rays%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Synchrotron+Rad%22%5BJournal%5D)">The partial Talbot effect and its use in measuring the coherence of synchrotron X-rays.</a> J. Synchrotron Rad. 11, 476-482 (2004).</li>
<li>Kluender, R., Masiello, F., Vaerenbergh, P. V., Härtwig, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+the+spatial+coherence+of+synchrotron+beams+using+the+Talbot+effect%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Status+Solidi+A%22%5BJournal%5D)">Measurement of the spatial coherence of synchrotron beams using the Talbot effect.</a> Phys. Status Solidi A. 206 (8), 1842-1845 (2009).</li>
<li>Pfeiffer, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shearing+Interferometer+for+Quantifying+the+Coherence+of+Hard+X-Ray+Beams%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Shearing Interferometer for Quantifying the Coherence of Hard X-Ray Beams.</a> Phys. Rev. Lett. 94 (1-4), 164801(2005).</li>
<li>Marathe, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+transverse+coherence+of+x-ray+beam+with+2-D+phase+grating+interferometer%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Probing transverse coherence of x-ray beam with 2-D phase grating interferometer.</a> Opt. Express. 22 (12), 14041-14053 (2014).</li>
<li>Shi, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Circular+grating+interferometer+for+mapping+transverse+coherence+area+of+X-ray+beams%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Circular grating interferometer for mapping transverse coherence area of X-ray beams.</a> Appl. Phys. Lett. 105 (1-6), 041116(2014).</li>
<li>2D grating simulation for X-ray phase-contrast and dark-field imaging with a Talbot interferometer. Zanette, I., David, C., Rutishauser, S., Weitkamp, T. X-ray Optics and Microanalysis, Proceedings of the 20th International Congress, , American Institute of Physics. 73-79 (2010).</li>
</ol>

著者らは開示するものは何もない。

図5は、4つのすべての方向に沿った推定横コヒーレンス長を示しています。明らかに、90°方向を0°方向に比べてθ高いξを持っています。ビームライン光学格子の相対位置でのビームの干渉性にほとんど影響を有するので、測定されたコヒーレンス領域は、ソースサイズ面積に反比例します。提示されたX線ビームのコヒーレンス測定技術は、垂直方向（参照： 図5）に沿って、その長軸を持つ楕円形として示すことができる正確にこれをマッピングします。十分に特徴付け格子自己撮像距離の周りに自己像距離または少数の画像にのみインターフェログラムは、コヒーレンス長を得るために必要であることに留意することが重要です。この技術の限界の一つは、特定のエネルギーで横コヒーレンス測定がそのエネルギーのために最適化された回折格子を必要とすることです。 テchnique格子と検出器との間の距離の正確な測定に依存し、特に、実験は8 keVの時、例えば、小さい期間とし、低いエネルギーで回折格子を使用して実行された...

このようなANL、レモント、IL、USA（http://www.aps.anl.gov）でAPSなどの第三世代の硬X線シンクロトロン放射源は、X線科学の発展に多大な影響を与えています。シンクロトロン放射源は、電子のような荷電粒子は、円軌道に光速近くに移動させるX線の波長、赤外線から、電磁放射のスペクトルを生成します。これらのソースは、高輝度、パルス及びピコ秒のタイミング構造、大きな空間的及び時間的コヒーレンスのような非常に独特の特性を有しています。 X線ビームの空間的コヒーレンスは、第3および第4の世代のシンクロトロン源の重要なパラメータであり、このプロパティを利用した実験の数は劇的に過去20年間1上に増加しています。このようなAPS蓄積リングのために計画されたマルチベンドアクロマート（MBA）格子としてこれらのソースの将来のアップグレードは、劇的に光コヒーレントフラックス（HTTPを増加します：//www.aps.anl.gov/Upgrade/）。 X線ビームは、より高い時間的コヒーレンスを達成するために、結晶モノクロメーターを使用して調整することができます。シンクロトロン光源の横方向コヒーレンスが低いため、電子ビームのエミッタンスおよび実験局へのソースからの長い伝搬距離の実験室ベースのX線源のそれよりも有意に高いです。 通常は、ヤングのピンホール二重または二重スリット実験は、干渉縞2の視認性の検査を通ったビームの空間的コヒーレンスを測定するために使用されます。完全な複雑なコヒーレンス関数（CCF）を得るためには、体系的な測定は、特に硬X線のため、面倒であり、現実的ではない、様々な分離と異なる位置に配置された2つのスリットで必要とされています。均一冗長アレイ（URA）は、位相シフトマスク3として用いることにより、ビームのコヒーレンス測定にも使用することができます。技術は完全なCCFを提供することができるが、それはモデルフリーではありません。さらに最近では、タルボ効果に基づく干渉技術は、定期的なオブジェクトの自己イメージングプロパティを使用して開発されました。これらの干渉計は、ビームの横方向のコヒーレンス4-9を得るための格子の下流少数自己像の距離で測定されたインターフェログラムの可視性を利用します。 2格子システムを使用して横方向コヒーレンスの測定も7が報告されています。 同時に垂直方向と水平方向に沿って、横方向のビームコヒーレンスのマッピングは、最初JP Guigay らによって報告された。5。最近では、APSの光学グループ、X線科学部門（XSD）、中の科学者は、ビームを測定するために、2つの新しい技術を報告している二つの方法用いて同時に二つ以上の方向に沿ってコヒーレンスを横切る：8格子市松相と1、および他の円形相は9格子付き。 本論文ではmeasurementおよびデータ分析手順が、0°に沿って同時に、水平方向に対して45°、90°、135°方向を、ビームの横方向の一貫性を得るために記載されています。測定は、格子市松π/ 2相とAPSの1-BMビームラインで行いました。プロトコルセクションに記載されているこの技術の詳細は、次のとおりです。実験の1）計画。 2）格子2次元市松相の調製。シンクロトロン施設で3）実験のセットアップとアライメント; 4）コヒーレンス測定を行います。 5）データ解析。また、代表的な結果は、技術を説明するために示されています。これらの手順は、格子の設計に最小限の変更で多くの放射光ビームラインで行うことができます。

<table><tbody><tr><td>1-BM-B ベンディングマグネット X 線源</td><td>Advanced photon Source/ アルゴンヌ国立研究所</td><td></td><td><a href="http://www.aps.anl.gov/Xray_Science_Division/Optics/Beamline/">http://www.aps.anl.gov/Xray_Science_Division/Optics/Beamline/</a</td></tr><tr><td>>LYSO Scintillator</td><td>Proteus Inc</td><td></td><td><a href="http://www.apace-science.com/proteus/lyso.htm#top">http://www.apace-science.com/proteus/lyso.htm#top</a></td></tr><tr><td>Coolsnap HQ2 CCD検出器</td><td>Photometrics</td><td></td><td><a href="http://www.photometrics.com/products/ccdcams/coolsnap_hq2.php">http://www.photometrics.com/products/ccdcams/coolsnap_hq2.php</a></td></tr><tr><td>ATC 2000 UHVスパッタリング成膜装置</td><td>AJA International Inc</td><td></td><td><a href="http://www.ajaint.com/systems_atc.htm">http://www.ajaint.com/systems_atc.htm</a></td></tr><tr><td>MICROPOSIT S1800 フォトレジスト</td><td>ダウ&nbsp;</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MICROPOSIT 351 開発者</td><td>ダウ&nbsp;</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MA/BA6露光装置</td><td>SUSS MicroTec</td><td></td><td><a href="http://www.suss.com/en/products-solutions/products/mask-aligner/maba6/overview.html">http://www.suss.com/en/products-solutions/products/mask-aligner/maba6/overview.html</a></td></tr><tr><td>スピンコーター WS-400-6NPPB</td><td>ローレル・テクノロジーズ株式会社</td><td></td><td><a href="http://www.laurell.com/spin-coater/?model=WS-400-6NPP-LITE">http://www.laurell.com/spin-coater/?model=WS-400-6NPP-LITE</a></td></tr><tr><td>JBX-9300FS 電子ビーム露光装置</td><td>JEOL</td><td></td><<td>a href="http://www.jeolusa.com/PRODUCTS/PhotomaskDirectWriteLithography/ElectronBeamLithography/JBX-9500FS/tabid/245/Default.aspx">http://www.jeolusa.com/PRODUCTS/PhotomaskDirectWriteLithography/ElectronBeamLithography/JBX-9500FS/tabid/245/Default.aspx</a</td></tr><tr><td>>CS-1701 RIEシステム</td><td>ノードソン March</td><td></td><td><a href="http://www.nordson.com/EN-US/DIVISIONS/MARCH/PRODUCTS/LEGACY/Pages/CS-1701-Anisotropic-RIE-Plasma-System.aspx">http://www.nordson.com/EN-US/DIVISIONS/MARCH/PRODUCTS/LEGACY/Pages/CS-1701-Anisotropic-RIE-Plasma-System.aspx</a></td></tr><tr><td>Techni Gold 25E</td><td>Technic</td><td></td><td><a href="http://www.technic.com/eu/applications/industrial/industrial-chemistry/plating-chemistry">http://www.technic.com/eu/applications/industrial/industrial-chemistry/plating-chemistry</a</td></tr><tr><td>>Dektak-8 サーフェスプロファイラー</td><td>Bruker</td><td></td><td><a href="http://brukersupport.com/ProductDetail/1136">http://brukersupport.com/ProductDetail/1136</a></td></tr><tr><td>MICROPOSIT 1165 リムーバー</td><td>ダウ&nbsp;</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

2次元チェッカーボード位相格子を使用して複数の方向に沿ってx線ビームコヒーレンスの測定

Measurement of X-ray Beam Coherence along Multiple Directions Using 2-D Checkerboard Phase Grating

技術のための手順は、格子干渉計が報告されている単相を用いた放射光X線源の横方向コヒーレンスを測定します。測定は、アルゴンヌ国立研究所（ANL）で光量子ソース（APS）の1-BM偏向電磁石ビームラインで実証されました。 2-Dの市松π/ 2位相シフト回折格子を使用することによって、横方向コヒーレンス長は、垂直方向及び水平方向に沿って同様に水平方向に45°、135°方向に沿って得られました。本稿で指定された技術的な詳細に続いて、インターフェログラムは、ビーム伝搬方向に沿って位相格子の下流の異なる位置で測定しました。各インターフェログラムの可視性の値は、そのフーリエ変換像における高調波のピークを分析から抽出しました。従って、各方向に沿ったコヒーレンス長は、回折格子対detecの関数としての視認性の進化から抽出することができますTORの距離。四方向におけるコヒーレンス長の同時測定は、ガウス状のX線源のコヒーレンス領域の楕円形状を特定する助け。複数方向のコヒーレンス特性評価のための報告された技術は、適切なサンプルサイズと向きを選択するだけでなく、一貫性の散乱実験での部分的なコヒーレンス効果を補正するために重要です。この技術は、X線光学系の一貫性維持能力を評価するために適用することができます。

詳細な実験とシミュレーションの結果は、上記の測定とデータ解析の手順を説明するために、結果を選択した他の場所8、このセクションは唯一のショーを見ることができるが。 図1 APS 1-BM-Bのビームラインでの実験のセットアップを表します。ビームサイズは、二結晶モノクロメーター（DCM）及び偏向電磁石電源25メートル上流に配置された1×1 mm 2のスリットによって規定されます。 DCMは、18 keVの出力光子エネルギーに同調されます。 X線ビームは、ビーム経路に沿って異なる位置に配置された複数のベリリウム窓（1 mmの総厚）を通過します。 図2（A）は、ANLにおけるナノスケール材料センター（CNM）で製造された格子の2次元チェッカーボード相の走査型電子顕微鏡像の中央部分を示しています。格子周期は、p =4.8μmです。白っぽい四角は上に形成されたAuブロックですSi 3</s...

測定プロトコル及びデータ解析手順は、同時に格子単一2次元チェッカーボード相を使用して、4つの方向に沿って放射光X線源の横方向コヒーレンスを得るために与えられます。この単純な技術は、X線源及びX線光学系の完全な横方向コヒーレンス特性評価に適用することができます。

2次元チェッカーボード位相格子を使用して複数の方向に沿ってX線ビームコヒーレンスの測定

A procedure for a technique to measure the transverse coherence of synchrotron radiation X-ray sources using a single phase grating interferometer is ...

本手順の目的は、グレーディング干渉法を用いて、シンクロトロン放射光施設におけるX線ビームの横方向コヒーレンスを測定することです。この手法の主な利点は、2次元勾配を利用することで、X線ビームのコヒーレンス特性を複数の方向で同時に測定できることです。本手法はAdvanced Photon Sourceの1-BMビームラインで実証されましたが、あらゆるシンクロトロンビームラインに適用可能です。2Dグレーティングの作製は、ビームラインの異なるコヒーレンス条件を測定するために不可欠です。位相グレーティングを作成するには、まず電メッキ用モールドを作製する必要があります。本デモンストレーションでは、準備されたシリコンウェハーのピースから開始します。これは、15 millimetre by 15 millimetreの試料の動作面の金層です。試料の反対側には、5 millimetre by 5 millimetreの窒化シリコンウィンドウがあります。試料の詳細については、この模式的な断面図に示されています。エッチング処理を施したシリコン層がサンプルの中心にあります。サンプルの動作面には、シリコンを覆う低応力窒化シリコン層があります。窒化シリコンの上には、5 nmのクロム層があり、さらにその上に30 nmの金層が形成されています。底部では、窒化シリコンがエッチング除去されており、動作表面へのウィンドウが形成されています。まず、サンプルをレジストスピンコーターに運び、ロードします。サンプルの金クロム側にPMMAレジスト溶液を塗布してください。スピンコーターを運転し、目的の厚さのレジスト膜を形成します。完了後、サンプルをスピンコーターから取り出します。残存溶剤を膜から除去するため、180 °Cに設定したホットプレートの上に1分間置きます。ベーク完了後、サンプルを100 keV電子ビームリソグラフィシステムに移動し、装置にロードします。リソグラフィシステムを用いて、PMMAにグレーディングパターンを露光します。本プロトコルのパターンでは、赤色の領域が露光され、現像液に可溶となります。完了したら、サンプルを回収し、現像の準備をします。サンプルをドラフトチャンバーへ移動させます。そこで、現像用のイソプロピルアルコール溶液と脱イオン水、および洗浄用のイソプロピルアルコールを入れたビーカーを用意します。サンプルを現像液に入れ、沈降させた後、容器をゆっくりと30〜40秒間 swirling して溶液を循環させます。現像が進むにつれて、作業面のグレーディングパターンが可視化されます。現像工程の後、サンプルを取り出し、イソプロピルアルコールを入れたビーカーに浸します。ビーカーを静かに揺らしながら、そのまま30秒間保持します。サンプルを取り出し、窒素ガス流で乾燥させます。サンプルの現像と洗浄が完全に完了したら、金グレーティングの電析に進みます。これには、40 °Cに加熱された金亜硫酸塩ベースの電気メッキ溶液を満たしたビーカー、溶液中の白金メッシュ陽極、および直流電源を備えた電気メッキ装置が必要です。サンプルを金亜硫酸塩溶液に浸し、陰極として機能させます。次に、DC電源をオンにし、適切な電流を設定して、目的のメッキ速度で金を電気メッキします。目的の厚さに達したら、電気めっきを停止し、試料を脱イオン水で洗浄します。洗浄後、試料を取り出し、窒素気流で乾燥させます。次に、ホットプレート上で溶媒を加熱し、ポリマーモールドを除去します。サンプルを溶媒に浸し、15～30分間そのままにしておきます。サンプルを取り出し、イソプロピルアルコールで洗浄した後、乾燥させます。これが、二次元チェッカーボード位相格子を付加する工程を完了した後のサンプルです。検査の一環としてサンプルの走査電子顕微鏡画像を取得し、目的のグレーティング周期、デューティ比、およびグレーティング厚さが達成されていることを確認します。この画像では、さらなる視点を提供するために、同じグレーティングを後方に35度傾けています。引き続き、施設の実験ハッチにてコヒーレンス測定の準備を行います。このデモンストレーションでは、ビームが位相回折格子を通過し、このCCD検出器に入射します。検出器用の対物レンズはパネルの背後に配置されています。このセットアップでは10倍の対物レンズを使用しており、これにより最小の干渉縞を分解することが可能です。次に、粗いフォーカス合わせのために検出器シンチレータを配置します。検出器シンチレータをレンズから作動距離（ここでは約5.2 millimetres）の位置に設置してください。すべてのパネルを閉じてから、制御室へ移動します。コントロールルームにて、対物レンズの位置を遠隔操作で調整し、フォーカスの設定を開始します。ハッチ内の周囲光を利用して、コントロールルームのモニターでフォーカスを確認します。フォーカスの設定完了後、実験ハッチに戻ります。レーザービームで示されるX線ビーム光路内に、二次元検出器を移動させます。垂直および水平の移動ステージを使用して、ビームの中心合わせを行います。微細なフォーカシングを行うために、X線ビーム光路に位相試料を配置してください。グレーティングステージ上に配置した発泡スチロールの破片で十分です。コントロールルームでX線散乱パターンを観察し、画像の鮮明度が最大になるまで対物レンズの位置を調整します。これで、コヒーレンス測定のためのグレーティングを装着する準備が整いました。これは、グレーティングステージスタックに装着された2Dチェッカーボード位相回折格子です。2Dチェッカーボード位相回折格子を、ビームコヒーレンスを測定する位置まで移動させます。制御室から、位相回折格子の面がX線ビームに対して垂直になるように調整してください。次に、画像をモニターしながら、電動ステージを使用してグレーティングをX線ビームラインの中心に合わせます。続いて、X線ビームの方向に沿ってグレーティングを回転させます。ここでの目的は、チェッカーボードパターンの対角線を、関心のあるビームの横方向と一致させることです。この場合、垂直方向および水平方向に調整します。さらに、X線ビームに垂直な軸を中心に回転させ、水平方向および垂直方向の干渉縞の周期を最大化するように微調整を続けます。制御室から翻訳ステージを作動させ、検出器を移動させます。ビームの方向に沿って、検出器を位相グレーティングにできるだけ近づけます。配置が完了したら、適切な露光時間（ここでは4秒）でインターフェログラムを記録します。次に、再びトランスレーションステージを操作し、検出器を移動させます。トランスレーションステージのコントローラーを使用して、十分なデータを生成できるよう、ビーム経路に沿って一定の間隔でステージを移動させます。回折格子から検出器までの最大距離に達するまで、干渉縞の記録と検出器の移動を繰り返します。本システムでは、最後の干渉縞を記録する際の回折格子から検出器までの最終的な距離は約750 millimetresとなります。データ収集を完了させるため、X線ビームをオフにします。次に、インターフェログラムと同様の露光時間を用いて、ダークフレーム画像を取得します。これらのインターフェログラムは、テキストプロトコルに記載されている2Dチェッカーボード位相格子を用いて測定されました。この干渉縞は、伝播方向に沿った第1タールボ距離における可視度測定に対応しており、回折格子から検出器までの距離は83 millimetresです。こちらのパターンは、579 millimetresにおける第4タールボ距離のものです。干渉縞データの高速フーリエ変換を行うことで高調波ピークが得られ、これにより干渉縞の周期性に関する情報が得られます。0次ピークは画像の中心、赤い正方形の中心にあります。0度の1次ピークは緑色の正方形の中心にあります。0度、45度、90度、135度の4つの独立した1次ピークがあり、これにより各方向の視認度を得ることができます。ここでは、回折格子から検出器までの距離の関数として、0度における視認性の変化を示します。実験データは青色の円でプロットされています。赤色の円は、ガウスエンベロープフィッティングのためにタルボット距離付近で選択されたデータです。解析により、3.6 µmのコヒーレンス長が得られます。4方向すべてにわたる可視性データの同様の解析により、このコヒーレンスマップの推定値が得られます。コヒーレンス長を得るには、自己結像距離におけるインターフェログラムのみが必要です。この手法を習得すれば、適切に実施した場合、2時間以内に完了させることができます。この手順を行う際は、各測定に最適化された周期を持つグレーティングを選択することが重要です。本手法の開発により、X線光学の分野の研究者が、次世代光源に向けたコヒーレンス保持光学系を開発する道が開かれました。

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