Medição do feixe de raios X coerência ao longo de múltiplas direções Usando 2-D Checkerboard fase reticulada

O objetivo geral deste procedimento é medir a coerência transversal do feixe de raios X, em uma linha de luz síncrotron, usando interferômetro de gradagem. A principal vantagem desta técnica é que ela pode medir a propriedade de coerência do feixe de raios X, em várias direções, simultaneamente, usando gradientes 2D. Embora o método tenha sido demonstrado na linha de luz 1-BM, na Fonte Avançada de Fótons, ele pode ser aplicado a qualquer linha de luz síncrotron.

A fabricação de grades 2D é fundamental para medir diferentes condições coerentes da linha de luz. A criação da grade de fase, primeiro requer a fabricação, de um molde de galvanoplastia. O ponto de partida para esta demonstração é um pedaço preparado de wafer de silício.

Esta é a camada de ouro na face de trabalho da amostra de 15 milímetros por 15 milímetros. No lado oposto da amostra, há uma janela de nitreto de silício de 5 milímetros por 5 milímetros. Mais detalhes da amostra, estão nesta seção transversal esquemática.

Uma camada de silício, que foi gravada, está no centro da amostra. O lado de trabalho da amostra tem uma camada de nitreto de silício de baixa tensão, cobrindo o silício. No topo do nitreto de silício, há uma camada de cinco nanômetros de cromo e, em seguida, uma camada de ouro de 30 nanômetros.

Na parte inferior, o nitreto de silício foi gravado para criar uma janela para a superfície de trabalho. Comece levando a amostra para um revestidor de rotação resistente e carregando-a. Deposite a solução de resistência a PMMA, no lado do cromo dourado da amostra.

Execute o revestidor giratório, para formar um filme resistente, da espessura desejada. Quando terminar, remova a amostra do revestidor giratório. Coloque-o em uma placa quente, mantida a 180 graus Celsius, por um minuto, para remover o solvente residual do filme.

Após a conclusão do cozimento, leve a amostra para um sistema de litografia de feixe de elétrons de 100 quiloelétron-volts e carregue-a no aparelho. Use o sistema de litografia para expor o PMMA ao padrão de classificação. No padrão deste protocolo, as áreas vermelhas serão expostas e se tornarão solúveis para o desenvolvedor.

Quando terminar, recupere a amostra e prepare-se para desenvolvê-la. Mover a amostra para uma hotte. Lá, prepare uma solução de álcool isopropílico e água deionizada para o revelador e um copo de álcool isopropílico para enxágue.

Coloque a amostra no revelador e deixe-a afundar, antes de girar suavemente o recipiente, por 30 a 40 segundos, para circular a solução. À medida que o processo de desenvolvimento prossegue, o padrão de nivelamento na superfície de trabalho torna-se visível. Após a etapa de desenvolvimento, remova a amostra e mergulhe-a em um copo de álcool isopropílico.

Mantenha-o lá por 30 segundos, enquanto gira suavemente o copo. Remova a amostra e seque-a com gás nitrogênio fluindo. Quando a amostra estiver totalmente revelada e limpa, prossiga para a galvanoplastia da grade de ouro.

Isso requer uma configuração de galvanoplastia, com um béquer, preenchido com uma solução de galvanoplastia à base de sulfito de ouro, aquecida a 40 graus Celsius, um ânodo de malha de platina na solução e uma fonte de alimentação de corrente contínua. Mergulhe a amostra na solução de sulfito de ouro, para atuar como um cátodo. Em seguida, ligue a fonte de alimentação CC, configure a corrente apropriada para galvanizar o ouro na taxa de revestimento desejada.

Quando a espessura desejada for atingida, pare a galvanoplastia e enxágue a amostra em água deionizada. Remova a amostra do enxágue e seque-a com nitrogênio fluindo. Em seguida, prepare um solvente aquecido em uma placa quente, para remover o molde de polímero.

Mergulhe a amostra no solvente e deixe-a permanecer por 15 a 30 minutos. Remova a amostra e prossiga para enxaguá-la em álcool isopropílico e seque-a. Esta é a amostra, após a conclusão das etapas para adicionar a grade de fase quadriculada bidimensional.

Tire imagens de microscópio eletrônico de varredura da amostra como parte de uma inspeção para confirmar que o período de grade desejado, o ciclo de trabalho e a espessura da grade foram alcançados. Nesta imagem, a mesma grade é inclinada para trás 35 graus, para fornecer uma perspectiva adicional. Continuar a preparar-se para as medições de coerência, na gaiola experimental da instalação.

Nesta demonstração, o feixe passará pela grade de fase e cairá sobre este detector CCD. A lente do objeto para o detector está atrás de um painel. Essa configuração usa um objetivo de 10 vezes, o que ajuda a resolver o menor padrão de interferência.

Em seguida, posicione o cintilador detector, para foco aproximado. Coloque o cintilador detector, a uma distância de trabalho da lente, aqui cerca de 5,2 milímetros. Feche todos os painéis, antes de prosseguir para a sala de controle.

Na sala de controle, comece a definir o foco, ajustando remotamente a posição da lente do objeto. Com a luz ambiente na gaiola, visualize os monitores da sala de controle para observar o foco. Depois que o foco for definido, retorne à gaiola do experimento.

Mova o detector bidimensional para o caminho do feixe de raios-X, que é indicado aqui, com um feixe de laser. Centralize a viga, usando os estágios de translação vertical e horizontal. Para realizar a focagem fina, coloque uma amostra de fase no caminho do feixe de raios X.

Um pedaço de isopor, colocado no palco da grade, é adequado. Na sala de controle, observe o padrão de dispersão de raios-X e ajuste a posição da lente objetiva, até que a maior nitidez da imagem seja alcançada. Agora é hora de montar a grade, para as medições de coerência.

Esta é a grade de fase quadriculada 2D, uma vez montada na pilha de estágio de grade. Mova a grade de fase quadriculada 2D, para onde a coerência do feixe deve ser medida. A partir da sala de controle, ajuste o plano da grade de fase, para ser perpendicular, ao feixe de raios-X.

Em seguida, monitore as imagens e use os estágios de tradução motorizados para centralizar a grade na linha do feixe de raios-X. Em seguida, gire a grade, em torno da direção do feixe de raios-X. O objetivo é ter a diagonal do padrão quadriculado, ao longo da direção transversal do feixe de interesse.

Neste caso, ao longo das direções vertical e horizontal. Continue o ajuste fino, girando em torno do eixo perpendicular ao feixe de raios-X, para maximizar os períodos de interferograma, nas direções horizontal e vertical. Da sala de controle, acione o estágio de tradução para mover o detector.

O movimento, deve colocar o detector o mais próximo possível da grade de fase, ao longo da direção do feixe. Uma vez no lugar, registre um interferograma, com o tempo de exposição apropriado, aqui quatro segundos. Em seguida, ative o estágio de tradução novamente, para mover o detector.

Usando os controles do estágio de translação, mova-o por um incremento ao longo do caminho do feixe, escolhido para gerar dados suficientes. Continue gravando interferogramas e movendo o detector até a distância máxima da grade para o detector. Para este sistema, a distância final entre a grade e o detector é de cerca de 750 milímetros para os últimos interferogramas.

Para concluir a coleta de dados, desligue o feixe de raios X. Em seguida, usando o mesmo tempo de exposição, como para os interferogramas, adquira uma imagem de quadro escuro. Esses interferogramas foram medidos, usando a grade de fase quadriculada 2D, descrita no protocolo de texto.

Este interferograma corresponde a medições de visibilidade, na primeira distância de Talbot ao longo da linha de propagação, a um valor de distância de grade ao detector, de 83 milímetros. Este padrão é para a quarta distância de Talbot, a 579 milímetros. Uma transformada rápida de Fourier dos dados nos interferogramas produz picos harmônicos, que fornecem informações sobre a natureza periódica do interferograma.

O pico de ordem zero, está no centro da imagem, no centro de um quadrado vermelho. Um pico de primeira ordem a zero graus está no centro de um quadrado verde. Existem quatro picos independentes de primeira ordem, em zero, 45, 90 e 135 graus, a partir dos quais a visibilidade ao longo de cada direção pode ser obtida.

Aqui está a evolução da visibilidade, para zero grau, em função da distância da grade ao detector. Os dados experimentais são plotados com círculos azuis. Os círculos vermelhos são dados selecionados em torno das distâncias de Talbot, para ajuste de envelope gaussiano.

A análise fornece um link de coerência, de 3,6 micrômetros. Uma análise semelhante dos dados de visibilidade, ao longo de todas as quatro direções, fornece essa estimativa do mapa de coerência. Apenas os interferogramas, nas distâncias de autoimagem, são necessários para obter os elos de coerência.

Uma vez dominada, essa técnica pode ser feita em algumas horas, se for executada corretamente. Ao tentar este procedimento, é importante escolher a grade, com o período otimizado para cada medição. Após seu desenvolvimento, essa técnica abriu caminho para pesquisadores, no campo da óptica de raios-X, desenvolverem óptica preservadora de coerência, para fontes de luz de próxima geração.