מדידת רנטגן Beam קוהרנטיות לאורך כיוונים מרובים באמצעות 2-D דמקה שלב פומפיה

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

הליך ניתוח פרוטוקול מדידת נתונים ניתן להשגת לכידות רוחביות של מקור קרינת synchrotron רנטגן לאורך ארבעה כיוונים בו זמנית באמצעות שלב שחמט יחיד 2-D צורמת. טכניקה פשוטה זו יכולה להיות מיושמת לאפיון קוהרנטיות רוחבי מלא של מקורות רנטגן ואופטיקה רנטגן.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Marathe, S., Shi, X., Wojcik, M. J., Macrander, A. T., Assoufid, L. Measurement of X-ray Beam Coherence along Multiple Directions Using 2-D Checkerboard Phase Grating. J. Vis. Exp. (116), e53025, doi:10.3791/53025 (2016).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

הליך עבור טכניקה למדוד את הקוהרנטיות הרוחבית של מקורות רנטגן קרינת synchrotron באמצעות פאזיים אינטרפרומטר הצורמת מדווחת. המדידות היו הפגינו בבית beamline מגנט כיפוף 1-BM של פוטון מתקדם מקור (APS) ב Argonne National Laboratory (ANL). באמצעות 2-D שחמט π / 2 שלב משמרת צורמת, אורכי קוהרנטיות רוחבי התקבלו לאורך כיוונים אנכיים ואופקיים וכן לאורך 45 ° ו -135 ° הכיוונים כדי בכיוון אופקי. בעקבות הפרטים הטכניים המפורטים במאמר זה, interferograms נמדדו בנקודות שונות במורד זרם של השלב הצורם לאורך כיוון התפשטות קורה. ערכי ראות של כל interferogram חולצו מניתוח פסגות הרמוניות בתמונה שינתה הפורה שלה. כתוצאה מכך, אורך קוהרנטיות יחד לכל כיוון ניתן לחלץ מן האבולוציה של נראות כפונקציה של סורג אל detecמרחק טור. המדידה סימולטני של קוהרנטיות אורכים בארבעה כיוונים עזרו לזהות את הצורה האליפטית של האזור הקוהרנטיות של מקור גאוס בצורת X-ray. הטכניקה דיווחה לאפיון קוהרנטיות מרובה בכיוון חשובה לבחירת הגודל וכיוון המדגם המתאים וכן לתיקון ההשפעות קוהרנטיות חלקית בניסויי פיזור קוהרנטיות. טכניקה זו יכולה לחול גם להערכת יכולות שימור קוהרנטיות של אופטיקה רנטגן.

Introduction

מקורות קרינה synchrotron קשה הדור השלישי רנטגן, כגון APS ב ANL, Lemont, אילינוי, ארה"ב (http://www.aps.anl.gov), יש להם השפעה עצומה על התפתחות מדעי רנטגן . מקור קרינת synchrotron מייצר ספקטרום של קרינה אלקטרומגנטית, מ אינפרא אדום באורכי גל רנטגן, כאשר חלקיקים טעונים, כגון אלקטרונים, נועדו לתנועה קרובה למהירות אור מסלול מעגלי. מקורות אלה יש מאפיינים ייחודיים מאוד כגון בהירות גבוהה, פעם ומבנה עיתוי פיקו-שני, ולכידות במרחב ובזמן גדולות. רנטגן הקורה קוהרנטיות מרחבית הוא פרמטר חשוב של מקורות synchrotron הדור השלישי והרביעי ומספר ניסויים ושימוש בקניין זה גדל באופן דרמטי במהלך שני העשורים האחרונים 1. השדרוגים העתיד של מקורות אלה, כגון achromat Multi-בנד המתוכנן (MBA) סריג עבור טבעת אחסון APS, יהיה להגדיל באופן משמעותי את השטף קרן קוהרנטית (http: //www.aps.anl.gov/Upgrade/). קרן X-ray יכולה להיות מכוונת באמצעות monochromator קריסטל להשיג קוהרנטיות זמני גבוה. הקוהרנטיות הרוחבית של מקורות synchrotron היא גבוהה באופן משמעותי מזה של מקורות במעבדות רנטגן בגלל emittance אלומת אלקטרונים הנמוך ומרחק התפשטות ארוך מהמקור לתחנת ניסיוני.

בדרך כלל, הניסוי הכפול-חריר או שני סדקים של יאנג משמש כדי למדוד את קוהרנטיות מרחבית של הקורה דרך הבדיקה של הנראות של בשולי ההפרעה 2. כדי להשיג את הפונקציה קוהרנטיות מכלול המלא (CCF), מדידות שיטתיות נדרשות עם שני החריצים להציב בנקודות שונות עם הפרדות שונות, אשר הן, במיוחד קשה צילומים רנטגן, מסורבל ולא מעשי. באופן אחיד היתירה Array (URA) יכולה לשמש גם למדידת קוהרנטיות הקורה על ידי העסקה זה כשלב הסטת מסכה 3. למרות הטכניקה יכולה לספק את CCF המלא, זה לא נטול מודל. לאחרונה, טכניקות interferometric מבוססות על האפקט טלבוט פותחו באמצעות מאפיין הדמיה-העצמי של חפצים תקופתיים. התאבכות אלה לעשות שימוש הנראות interferogram נמדד מרחקים עצמי הדמיה כמה במורד זרם של הסורג להשגת הלכידות הרוחביות קורה 4-9. מדידות של קוהרנטיות רוחבית באמצעות שתי מערכת צורמת גם מדווחות 7.

מיפוי קוהרנטיות הקרן הרוחבי, בו זמנית לאורך כיוונים אנכיים ואופקיים דווח לראשונה על ידי JP Guigay et al. 5. לאחרונה, מדענים בקבוצת אופטיקה, רנטגן מדע החטיבה (XSD), של APS דיווחו שתי טכניקות חדשות למדידת קרן חוצת קוהרנטיות לאורך יותר משני כיוונים בו זמנית באמצעות שתי שיטות: אחת עם שלב שחמט צורם 8, והשני עם שלב עגול צורם 9.

במאמר זה measurement ונהלי ניתוח נתונים מתוארים להשגת הלכידות הרוחביות של הקורה לאורך 0 °, 45 °, 90 °, ו -135 ° כיוונים ביחס בכיוון האופקי, בו זמנית. המדידות בוצעו על beamline 1-BM של APS עם שלב שחמט π / 2 צורם. הפרטים של הטכניקה הזו המופיעים בסעיפי הפרוטוקול כוללים: 1) תכנון הניסוי; 2) הכנת שלב השחמט 2-ד הצורם: 3) התקנה ויישור ניסוי במתקן סינכרוטרון; 4) ביצוע מדידות קוהרנטיות; 5) ניתוח נתונים. בנוסף, תוצאות הנציגים מוצגות כדי להדגים את הטכניקה. נהלים אלה יכולים להתבצע beamlines סינכרוטרון רב עם שינויי מינימום על העיצוב הצורם.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. תכנון של הניסוי

  1. זהה את beamline synchrotron. צור מדען beamline כדי למצוא את ההתאמה של הניסוי beamline כי.
    הערה: ניסויים דיווחו בכתב היד הזה נעשו במעבדות beamline 1-BM-B, אשר מחויבת בדיקות אופטיקה גלאי, תחת XSD של APS.
  2. להגיש הצעה המשתמש בקשת קרן הזמן.
  3. לעבד את הפרטים של הניסוי עם מדען beamline ולציין את כלי דרושים לרבות בשלבים ממונעים עבור היישור הצורם גלאי, גלאי 2 ממדים (CCD או CMOS), שלב תרגום ארוך המכסה את המרחקים לפחות ו רחוקים הצורכים בין הגלאי סורג השלב.
  4. היכון הזמן קורה על ידי ביצוע ההוראות המופיעות באתר האינטרנט המתאים. בהדרכות בטיחות טופס הערכת בטיחות הניסוי הכרחי.

2. הכנת Ph הדמקה-D 2ASE פומפיה

  1. לקבוע תקופת הסורג, עמ ', אשר קשור לתקופה של דפוס interferogram, p θ, יחד θ זווית בכיוון הרוחבי השונה. הערכים הנראים, V θ (ד), של interferogram יחד זווית θ שונה להתנדנד כפונקציה של המרחק הצורם אל הגלאי, ד.
    עבור שחמט 2-D π / 2 שלב צורם, V θ (ד) פסגות במרחקים,
    משוואה 1
    עם n = 1, 2, 3 ... ו λ אורך גל הפוטון. דפוס interferogram יש תקופה מאפיין של p θ = p / √2 לאורך באלכסון של בלוקים רבועים תקופה של p θ = p / 2 לאורך הקצה של גושים מרובעים. הבחירה של p ובכך מסתמכת על הבאהקריטריונים.
  2. ודא לפחות כמה V θ (ד) פסגות הן בתוך המרחק צורם אל הגלאי הגדול, או מגבלת השטח של בתחנת הניסיונות, מקסימום ד. כדי לספק את ד n, θ <d max, המסקנה היא
    משוואה 2
    עבור n = 5, מקסימום ד = 1 מ ', λ = 0.06888 ננומטר (18 keV), זה נותן θ p <3.9 מיקרומטר.
  3. בתוך מקסימום ד, לוודא כי גובה θ V (ד) לשיא n ד המרחק הגדול, θ הוא פחות γ גורם לזה של V θ הראשון (ד) לשיא ד 1, θ כדי יש הולם פונקצית ריקבון גאוס מדויק. לפיכך, γ = V θ, n (ד) /Θ V, 1 (ד) שהוא היחס של n th הנראה שיא הפסגה הראשונה. לקבלת מקור רנטגן בעקבות חלוקת עוצמת גאוס עם אורך קוהרנטיות, ξ θ, התקופה של שלב π / 2 הצורמים זקוקים לו כדי לספק
    משוואה 3
    למשל, עם γ = 10%, ξ θ = 5 מיקרומטר ו הפרמטרים הנ"ל, זה נותן p θ> 2.4 מיקרומטר.
  4. ודא כי בתקופה של דפוס interferogram, p θ, היא מספר פעמים גדולה יותר ברזולוציה מרחבית של הגלאי על ידי בחירת מערכות גלאי הנכונה.
  5. קבע את העובי, T, של הסורג הנדרש פאזה של, φ, באורך גל פוטון רנטגן, λ, באמצעות
    משוואה 4
    שם δהוא הפחתה מקדם השבירה של החומר הסטה שלב. למשל, הפחתה מקדם השבירה עבור Au הוא 9.7 × 10 -6 במשך 18 keV. עובי Au עבור φ = π / 2 שלב צורם הוא אפוא 1.8 מיקרומטר.
  6. לפברק בשלב הצורם ידי אלקטרוליטי Au לתוך תבנית פולימר בדוגמת על סיליקון ניטריד (סי 3 N 4) החלון.
    הערה: הליך הכנת סיליקון ניטריד (סי 3 N 4) חלון מצע ייצור של המבנה הצורם מוצגת להלן.
    1. מכין את המצע על ידי השחרור הראשון הממברנה Si 3 N 4 כדי ליצור את החלון השקוף רנטגן.
    2. רוכשת סיליקון (Si) ופל עם מתח נמוך (<250 מגפ"ס) Si 3 N 4 שהופקד על שני הצדדים של פרוסות סיליקון מרוכל.
    3. טען את הפרוסות לתוך מערכת בתצהיר מקרטע magnetron להפקיד Cr ו- Au לשמש בסיס אלקטרוליטי.
    4. ננומטר הפקדה 5 של ה Cren 30 ננומטר של Au על צד אחד של רקיק, אם עוקבים אחרי ההוראות של היצרן.
      הערה: התהליכים בתצהיר מיצרן מערכת תכלול מידע כגון שיעור בתצהיר.
    5. לפרוק רקיק מכלי הדחה. השתמש בצד של פרוסות סיליקון שהופקדה עם Cr ו- Au עבור ייצור צורם.
    6. לקבוע את הגודל הכולל של הסורג ואז לעצב מסכת photolithography ממברנות דפוס מעט גדולות יותר. השתמש העיצוב לרכוש מסכת photolithography ידי רכישה מרוכל או לפברק את מסכת photolithography.
    7. ספין שכבה עבה 3-מיקרומטר של photoresist על הצד האחורי של פרוסות סיליקון שבו אין ציפוי Cr ו- Au. לחשוף את להתנגד עם כלי ליתוגרפיה UV במשך 20 שניות באמצעות מסכת photolithography תוכננה. לפתח את החשופים להתנגד בתמיסת מפתח אלקליין המימית למשך 30 שניות ולאחר מכן לשטוף עם מים ללא יונים ויבשים עם זורם N 2.
    8. טען את הפרוסות לתוך תחריט יון תגובתי (ורי) כלי wה- i בדוגמת photoresist מול קאמרית. השתמש פלזמה 4 CF כדי לחרוט את הוראות הכלי הבא 4 Si 3 חשוף N.
    9. לפנות את תא תחריט מתכון לחרוט קלט לתוך כלי ורי. הפעל את המתכון עד שהשכבה Si 3 N 4 חקוק לחלוטין ואת שכבת Si חשופה בדפוס.
    10. לחרוט את Si חשוף על הישבן רקיק על ידי השריית לתוך פתרון KOH 30% מחומם ל 80 מעלות צלזיוס למשך כ -8 שעות. שיעור Etch הוא כ 75 מיקרומטר / hr באמצעות מתכון כאמור.
    11. לאחר לחרוט Si נגמר, לשטוף עם מים ללא יונים ויבשים עם זורם N 2. המדגם הוא מוכן ייצור צורם.
  7. לפברק העובש אלקטרוליטי עבור השלב הצורם באמצעות השלבים הבאים.
    1. עיצוב התבנית צורמת שחמט בכיכר ולפצות על דפוס הטיית ידי הקטנת גודל תבנית מרובעת נחשף על ידי 100-250 ננומטר. כלול מסגרת 50 מיקרומטר רחב> סביב גראטדפוס ing לאישור עובי בהמשך התהליך.
    2. טען מדגם לתוך coater הספין להתנגד פולי פיקדון (methacrylate מתיל) (PMMA) חיובי להתנגד פתרון בצד הצורם של המדגם. הפעל את coater הספין להתנגד ליצירת 2 ל -3.5 מיקרומטר עבה להתנגד סרט בהתאם לעובי צורם סופי רצוי.
      הערה: עקומות ספין עם מידע על מהירות סחיטה לעומת עובי סרט ניתנות על ידי ספק פתרון PMMA או יכולות להיקבע באופן אמפירי.
    3. טען את פרוסות לתוך מערכת ליתוגרפיה אלומת אלקטרונים 100 keV.
    4. כיול כלי לחשיפה עם זרם חשיפה גדול יותר מ -10 נה.
    5. לחשוף את PMMA להתנגד באמצעות כלי ליתוגרפיה קורה אלקטרוני 100 keV ליצור את התבנית הצורמת, שבו האזורים החשופים יוסרו בשלב הפיתוח. השתמש טווח חשיפה במינון של 1,100-1,250 μC / 2 ס"מ תלוי להתנגד עובי.
    6. לפרוק את המדגם מהכלי.
    7. לפתח את החשופים להתנגדעל ידי השריית בתוך 7: אלכוהול איזופרופיל 3 (לפי נפח) (IPA): פתרון מים ללא יונים במשך 30-40 שניות עם מתערבל עדין. לשטוף עם IPA, ולאחר מכן יבש עם זורם N 2. ודא PMMA פותח במלואה ע"י הסתכלות באזור חשוף עם מיקרוסקופ אופטי.
    8. טען המדגם לכלי ורי עם דפוס PMMA מול קאמרית.
    9. לפנות את תא תחריט מתכון לחרוט קלט descum לתוך כלי ורי. תהליך descum הוא לחרוט מבוסס קצר (<30 שניות) O 2 פלזמה כדי להסיר כל PMMA שיורית מהאזור הצורם החשוף.
  8. לסיים סורג Au ידי אלקטרוליטי לתוך התבנית המפוברקת באמצעות השלבים הבאים.
    1. ודא עובי עובש אלקטרוליטי ידי סריקת החללית של profilometer ברחבי המסגרת כללה אישור עובי.
    2. להטביע את המדגם לתוך פתרון אלקטרוליטי Au-סולפיט מחומם ל -40 מעלות צלזיוס. התקנת אלקטרוליטי מורכבת כוס המלאה עם eleפתרון ctroplating, ספק כוח קבוע DC הנוכחי, ואת האנודה רשת Pt.
    3. קבע את אזור הציפוי של המדגם על ידי חישוב Au נחשף הדפוס החשוף, ואז לחשב נוכחי עבור צפיפות הזרם הרצויה, שהוא משתנה העיקרי המשמש לקביעת השיעור בתצהיר.
    4. חישוב ציפוי זמן להגיע עובי סורג רצוי באמצעות שיעור הציפוי שקבע צפיפות הזרם מיושמת.
    5. הפעל את אספקת חשמל DC ליישם את הנוכחי נקבע על המדגם, מתנהג כמו קתודה, צלחת עבור כמחצית זמן הציפוי הכולל.
    6. מדוד את עובי הציפוי תוך שימוש באותה השיטה השתמשה בשלב 2.8.1.
    7. הפעל את אספקת חשמל DC כדי Electroplate Au לתוך תבנית PMMA ו electroplate לעובי הצורם הרצוי, תוך לקיחה בחשבון את הגובה המצופה נמדד בשלב 2.8.6.
  9. הסר את התבנית פולימר באמצעות חומר ממיס מחומם על ידי השריית המדגם. ואז לבדוק עם אופטיקהl מיקרוסקופ מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) כדי לאשר תקופת צורמת, מחזור עבודה, ועובי צורמת.
    הערה: יש שתי 2-D שחמט שלב לגדר (אחד עבור הניסוי ואחד בתור חילוף) מוכן, כמה ימים לפני שהניסוי יתחיל.

3. הגדרת יישור ניסוי במתקן Synchrotron

  1. בקש מדען beamline להגדיר את אנרגית קרן הרנטגן או גל לערך הרצוי התואמת את השלב צורם. בשימוש שגרתי אנרגיות רנטגן בבית beamline 1-BM APS הן בין 6 ל 28 keV. במקרה זה, לכוון את אנרגיית פוטון ל -18 keV.
  2. בחר את העדשה האובייקטיבית הרצויה למערכת הגלאי. הנה, להשתמש גלאי CCD CoolSnap HQ2 עם 1,392 × 1,040 פיקסלים הדמיה של 6.45 × 6.45 מיקרומטר 2 גודל פיקסל. כדי לפתור את תבנית ההתאבכות הקטנה, השתמש תכנית EC Neofluar 10 × אובייקטיביים. גודל פיקסל האפקטיבי של מערכת הגלאי כולל את ההגדלההשפעת המטרה מיקרוסקופית היא אפוא 0.64 מיקרומטר. הרזולוציה המרחבית המשוערת היא כ -2 מיקרומטר, אשר נובעת בעיקר לפונקציה להפיץ את הצבע של מערכת הגלאי.
  3. כדי להגדיר את מחוספס התמקדות של מערכת גלאי, למקם את scintillator (לוטציום-איטריום oxyorthosilicate, 150 מיקרומטר עבה) בבית 'ומרחק עבודה' מן העדשה (~ 5.2 מ"מ עבור המערכת בשימוש). בהתחלה, להגדיר את המיקוד תחת אור הסביבה על ידי ניטור התמונות שנרכשו תחת "מצב מתמשך" כעמדת scintillator מותאם באמצעות מנוע פיקו.
  4. הזז את גלאי 2-D לתוך קרן הרנטגן, באמצעות שלבים אנכיים ואופקיים ליישר במרכז גלאי למרכז הקורה.
  5. מניחים מדגם שלב ', למשל חתיכת קלקר, לתוך קרן הרנטגן. בצע את קנס התמקדות של מערכת הגלאים ידי התבוננות דפוס הפיזור מדגימת פאזה התאמתה עמדת scintillator עד חדות התמונה הגבוהות ביותר.
  6. </ Ol>

    4. מדידות קוהרנטיות Performing

    1. מניח את לוח שחמט 2-D צורם לתוך קרן הרנטגן שבו קוהרנטיות של הקורה אמורה להימדד. במקרה זה הוא 34 מטרים ממקור מגנט הכיפוף.
    2. התאם את המטוס של שלב שחמט 2-D צורם להיות בניצב לכיוון של התפשטות קרן הרנטגן.
    3. מרכז את הצורמת אל קורה רנטגן באמצעות בשלבים הממונעים ומביטים התמונות שנרכשו תחת מצב גלאי רציף.
    4. סובב הסורג ברחבי כיוון התפשטות קרן הרנטגן (y) כך באלכסון של דפוס השחמט הוא לאורך כיוון האלומה הרוחבי הרצויה. במקרה זה, ליישר את הכיוונים באלכסון של שחמט (כיוונים מדידת העדיף) בכיוונים האופקי והאנכי של הקורה. לכוונן הסיבובים הצורמים סביב שני צירים האחרים (x ו- z) כדי להבטיח יצבתו שלה הרנטגןקרן, אשר מושגת על ידי מיקסום תקופות interferogram בכיוונים האופקי והאנכי הן.
    5. הרחקת מערכת הגלאי הקרובה ככל האפשר הפיזי לשלב צורם לאורך כיוון התפשטות קורה. במחקר זה, השתמש במרחק של 43 מ"מ.
    6. חישוב התקופה הקטנה ביותר תבנית ההתאבכות. Π / 2 השחמט צורם עם התקופה p = 4.8 מיקרומטר יפיקו תבנית התאבכות עם p θ = 3.4 מיקרומטר ו- p θ = 2.4 מיקרומטר (תקופה קטנה) לאורך האלכסון ואת הכיוונים הלא האלכסוניים של דפוס השחמט, בהתאמה. להעריך את מספר נקודות נתונים הדרושים ב-בין V θ (ד) עמדות שיא שנתנו משוואה (1) להשיג עקומה חלקה.
    7. בחר את זמן החשיפה המתאים לכל interferogram, ארבע שניות במקרה זה.
    8. Interferograms שיא עם אותו זמן החשיפה (למשל, 4 שניות) במרחקים צורמים אל גלאים שונים. בחר את זמן החשיפה מבוססת על רמת האינטנסיביות הקורה. החל מהמרחק הצורם אל גלאי המינימום (43 מ"מ), להזיז את הגלאי במורד הזרם של רנטגן ידי מרווחים קטנים (10 מ"מימ נקבעו בהתבסס על שלב 4.6) ו להקליט interferogram במיקום כל גלאי עד grating- המרבית האפשרית המרחק-גלאי (750 מ"מ).
    9. לרכוש תמונות כהה מסגרת עם אותו זמן החשיפה (4 שניות) אבל לכבות את קרן הרנטגן ולשמור את כל תנאי הניסוי אחרים באותו.

    ניתוח 5. נתונים

    הערה: אין כרגע תוכנה תקנית הזמינה לניתוח הנתונים.

    1. השימוש בתכנית עיבוד תמונה שנבחרה, לקרוא את התמונה הכהה מסגרת (ים) ואת תמונת הנתונים. תקן את תמונת נתונים על ידי ההפחתה (בממוצע) התמונה כהה מסגרת.
    2. התמרתי את המסגרת הכהה תקנה תמונה, אשר מייצרת פסגות הרמוניות גלויות האופקי (52; = 0 °), אנכי = 90º) וכן θ = 45 ° ו θ = 135 ° הכיוונים.
    3. לחתוך את התמונה ההרמונית 0 ה סדר המרוכז בשיא סדר 0 ה. אורך ורוחב של התמונה שווה את המרחקים בין ה 0 ו -1 פסגות כדי st לאורך כיוונים אופקיים ואנכיים, בהתאמה. באופן דומה, להשיג את התמונות הרמוניות -1 סדר באותו האורך והרוחב יחד בכיוון הרוחבי של עניין.
    4. יש להפוך Fourier Transform (IFT) תמונות הרמוניות הקצוצות. יחס הממוצע של אמפליטודות של תמונת IFT מ 1 רח להזמין תמונה הרמונית לאורך כל בכיוון רוחבי לזו של תמונת IFT מהתמונה ההרמונית 0 ה הסדר נותן את הנראות יחד בכיוון זה.
      לידיעתך, תהליך זה תקף אם רכיבים בתדר גבוה כמה להתקיים interferogram הנמדד. אחרת, אפשר להשתמש הקורsponding עוצמות הרמוניות שיא של התמרת תמונות משלבות 5.4 במקום. בשל הבדלי הקורה, עמדות השיא ההרמוניות תשתנינה בהדרגה במרחקים צורם אל גלאים שונים. לכן, כתיקון עמ בכל מרחק או תהליך ממצא השיא הוא זקוק.
    5. חזור על שלב 5.1-5.4 עבור כל התמונות המדודות במרחקים צורמים אל גלאים שונים ולשמור את ערך החשיפה של כל תמונה.
    6. מגרש את נראות V θ (ד) כפונקציה של המרחק הצורם אל הגלאי. זיהוי נקודות נתונים ב- V θ (ד) פסגות. ראוי לציין, כי העקומה המלאה נמדדה רק כדי לזהות טוב יותר את עמדות השיא שנתנו משוואה (1). בחר ידני נקודות נתוני שיא וכן נקודות נתונים סמוכות משני צדים כל שיא.
    7. צייר פונקציה גאוס הולם עבור נקודות הנתונים שנבחרו. חלץ סטיית התקן, σ θ, של הדואר גאוס פונקציה הולמת.
    8. השג את אורך קוהרנטיות רוחבי, ξ θ, באמצעות
      משוואה 5

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

למרות שתוצאות ניסוי וסימולציה מפורטות ניתן למצוא במקום אחר 8, סעיף זה רק מראה שנבחר תוצאות כדי להמחיש את הליכי מדידה ונתונים מעל ניתוח. איור 1 מייצג את הגדרת הניסוי על beamline 1-BM-B APS. גודל הקרן מוגדר על ידי חריץ 1 × 1 מ"מ 2 להציב במעלה זרם של Double קריסטל monochromator (DCM) ו -25 מ 'ממקור מגנט הכיפוף. DCM מכווננת אנרגיית פוטון פלט של 18 keV. קרן רנטגן עובר דרך מספר חלונות בריליום (1 ​​מ"מ עובי כולל) להציב במקומות שונים לאורך נתיב קרן.

איור 2 (א) מראה את החלק המרכזי של תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים סורק של השלב שחמט 2-D צורמת מפוברק במרכז ננו חומרים (CNM) ב ANL. התקופה הצורמת היא p = 4.8 מיקרומטר. הריבועים לבנבן הם אבני Au נוצר עלהממברנה 4 Si 3 N. הסורג יוצב קרן הרנטגן כאלה שזה בניצב לכיוון הקורה ואת האלכסונים של אבני זהב מרובע מקבילים כיוונים אופקיים ואנכיים, כפי שמוצג באיור 2 (ב). כזה נטייה משרתת שתי מטרות: (i) היא מבטיחה נראית גבוהה לאורך הכיוונים העיקריים, אשר נמצאים לאורך הכיוונים האופקיים ואנכיים, וכן (ii) היא מפחיתה את השפעת אי-ודאות ייצור של התקופה הצורמת לאורך הכיוונים העיקריים 8.

Interferograms נרשמו במרחקים צורמים אל גלאים שונים, ד, כיסוי לפחות חמש V θ (ד) פסגות בכל כיוון רוחבי כהגדרתו משוואה (1). איור 3 מציג את החלק המרכזי של interferograms הנמדד (א) ד 1,0 ° = 83 מ"מ ו (ב) ד 4,0 </ sub> ° = 579 מ"מ, אשר תואמות את עמדות השיא הראשון והרביעי יחד θ = 0 ° כיוון (עמ '0 ° = 3.4 מיקרומטר). במרחקים טלבוט אלה דפוס שחמט 2-D הוא משוכפל (הדמיה עצמית). הנכס קוהרנטיות של קרן הרנטגן מוטבע את נראות interferogram, אשר מאוחזר הניתוח הפורה של כל תמונה רשמה.

ההתמרה הפורה של interferogram מדודה מייצרת פסגות הרמוניות אשר מייצגות את האופי התקופתי של interferogram לאורך כיוונים שונים. כדוגמא, איורים 3 (ג) ו- (ד) הן תמונות FT של איורים 3 (א) ו- (ב), בהתאמה, שבוצע על ידי פורה המהיר Transform (FFT). בשל הסימטריה המרכזית של תמונת FT, ארבע פסגות כדי עצמאיות -1 נמצאות יחד ארבעה כיוונים, כלומר <em> θ = 0 °, 45 °, 90 ° ו -135 ° כהגדרתו איור 2 (ב). המחזוריות עמ ') בכל כיוון ניתן לקבוע מן המיקום היחסי שיא אל שיא כדי מרכזי 0 ה. קח איור 3 (ג) כדוגמה, השיא הרמוני 1 st מנת יחד 0 ° כיוון מגלה מבנה מזומנות p 0 ° = 3.4 מיקרומטר, אשר ניתן לזהות בקלות כמו מבנה קו-סוג באיור 3 (א). הראות ניתנת על ידי היחס בין משרעת של שיא כדי -1 θ, 1) לזה של שיא כדי 0 ה θ, 0), או V θ = 2 θ, 1 / A θ, 0 10. בפועל את הנראות הושג פרוטוקול ביצוע השלבים 5.5-5.7 עם קופסאות יבול המוצגים figuמיל 3 (ג) ו- (ד). ברור עוצמת השיא כדי -1 ב 0 ° היא הרבה יותר קטנה באיור 3 (ד) מ באיור 3 (ג), אשר מצביע על נראות מופחתות ב d = 579 מ"מ. עדות לכך היא גם חוסר המבנה תקופתי יחד 0 ° באיור 3 (ב).

בעקבות פרוטוקול צעדים 5.8-5.12, איור 3 (ה) מציג את האבולוציה הנראות כפונקציה של d. הולם גאוס הנתונים שנבחרו סביב V θ (ד) פסגות נותן σ 0 ° = 180 מ"מ. אורך קוהרנטיות האופקי הוא ובכך ξ 0 ° = 3.6 מיקרומטר הבאים משוואה (5).

בדומה איור 3, איור 4 מציג תוצאות לאורך θ = 45 ° כיוון. ה- Financial Timesתמונות [ראה איור 4 (ג) ו- (ד)] מצביעים על תקופת עמ '45 ° = 2.4 מיקרומטר. לכן, V θ (ד) פסגות במשך 45 ° להופיע במרחקים קצרים 1,45 ° = 43 מ"מ ו ד 4,45 ° = 293 מ"מ) בהשוואה שעבור 0 °. ממרחק כזה, במשך 45 °, interferograms הם דפוס רשת מסוג [ראה איור 4 (א) ו- (ב)]. האבולוציה הנראית שמוצגת באיור 4 (ה) נותנת אורך קוהרנטיות ξ 45 ° = 5.0 מיקרומטר. על ידי יישום אותו הליך ניתוח נתונים לארבעה כיוונים הטובים, אזור קוהרנטיות הרוחבי של קרן הרנטגן ממופה.

איור 1
התקנה ניסיונית באיור 1.. סכמטי שלהתקנת beamline בבית beamline 1-BM-ב 'של APS. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2. 2-D דמקת פומפייה. (א) תמונת SEM של השחמט צורם עם תקופה של 4.8 מיקרומטר. (ב) פומפיית אורינטציה במישור הרוחבי בניצב לכיוון התפשטות קורה (מצביע פנימה או החוצה של העיתון). המספרים אדומים עולים θ. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3. Meas ראות urement יחד 0 ° כיוון. Interferograms נרשם ד 1, 0 ° = 83 מ"מ (א) ו- ד 4,0 ° = 579 מ"מ (ב), המקביל ל V הראשון והרביעי 0 ° (ד) עמדות השיא לאורך 0 ° כיוון (משוואה (1) עם p 0 ° = 3.4 מיקרומטר), בהתאמה. הפורה שלהם להפוך תמונות מוצגות (ג) ו- (ד), עם האזורים המקווקוים וירוקים אדום מקווקו המציינים את ה 0 ו -1 תמונות הרמוניות רח, בהתאמה. (ה) האבולוציה הנראות כפונקציה של המרחק צורמת אל גלאי, ד. העיגולים הכחולים הם כל נתוני הניסוי, והקליעים האדומים הם נתונים שנבחרו סביב כל מרחקים טלבוט עבור מעטפת גאוס ההולמת (עקומה מקווקות אדום).t = "_ blank"> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
מדידת ראות איור 4. לאורך 45 ° כיוון. Interferograms נרשם ד 1,45 ° = 43 מ"מ (א) ו- ד 4,45 ° = 293 מ"מ (ב), המקביל ל V הראשון והרביעי 45 ° (ד) שיא עמדות לאורך 45 ° כיוון (משוואה (1) עם עמ '45 ° = 2.4 מיקרומטר), עם תמונות FT שלהם שמוצגות (ג) ו- (ד), בהתאמה. (ה) האבולוציה הנראות כפונקציה של d. ראה כיתוב איור 3 לפרטים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5. קוהרנטיות האזור במפה. אזור קוהרנטיות מדמיין באמצעות הלכידות הרוחביות נמדדו אורכים לאורך ארבעה כיוונים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

איור 5 מראה את אורך קוהרנטיות רוחבי המוערך לאורך כל ארבעת הכיוונים. ברור, בכיוון 90 ° יש ξ גבוה θ לעומת 0 ° כיוון. מאז אופטיקה beamline יש השפעה זניחה על קוהרנטיות הקרן במיקום היחסי הצורם, באזור קוהרנטיות הנמדד הוא ביחס הפוך לאזור גודל המקור. שיטת מדידת קוהרנטיות קרן הרנטגן הציגה מפות זה במדויק אילו ניתן להיראות כמו אליפסה עם הציר המרכזי שלה לאורך בכיוון האנכי (ראה איור 5). חשוב לציין כי עם הצורמת מאופיינת היטב רק interferograms במרחקים עצמי ההדמיה או כמה תמונות סביב המרחק עצמית ההדמיה נדרשים כדי להשיג את אורך קוהרנטיות. אחת המגבלות של שיטה זו היא כי מדידת קוהרנטיות רוחבית בכל אנרגיה בפרט דורשת צורמת אופטימיזציה עבור אנרגיה.

טהchnique מסתמך על המדידה המדויקת של המרחק בין הסורג לבין הגלאי, במיוחד, כאשר הניסוי מתבצע באמצעות הסורג עם תקופות קטנות באנרגיות נמוכות, למשל, ב -8 keV. לאורך האלכסון של הבלוקים הרבועים של השחמט הצורם, תופעות של חוסר התאמת תקופה צורמת על עקומת הנראות זניחות, ואת הרמות של חשיפה גבוהה מתקבלות. לכן, הבחירה של האורינטציה הצורמת תלוי כיוונים המועדפת שלאורכו מדידת קוהרנטיות הרוחבית לבצעו.

לעומת הטכניקה המתוארת התייחסות 3, השיטה המוצגת אינה צריכה ההנחה של כל מודל צורה כדי להשיג את עקומת CCF. שלב יחיד צורם שמש במקום מערכת אינטרפרומטר דו-צורם 7 (כולל שלב צורם אמפליטודה צורמת, מתוכם הייצור מהווה אתגר עבור יישומים קשים רנטגן). השימוש צורם יחיד מאפשר המהירהתקנה ויישור תוך מתן אותו מידע קוהרנטיות כמערכת אינטרפרומטר דו-הצורמת. הולך מעבר העבודה המתוארת אזכור 4-6, האינטרפרומטר צורמת אחת ממפה את אורך קוהרנטיות לאורך ארבעה כיוונים שונים בו זמנית. הטכניקה היא גם מסוגלת לפתור וריאציות מקומיות על העקביות של חזית הגל הקורה על פני שטח קטן.

המידע קוהרנטיות הרוחבי של קרן הרנטגן שמספקת הטכניקה חשוב מאוד לא רק לעיצובה של הניסויים אלא גם ידעתי אפריורי לניתוח הנתונים. ככל הבהירות קוהרנטיות של מקורות סינכרוטרונית XFEL ברציפות מגדילה את אופטיקה רנטגן הצורך לשמר קוהרנטיות מקור זה להיבדק ואת הטכניקה המתוארת כאן יכולה להיות כלי מצוין למדידת קוהרנטיות רוחבית של חזית גל הקרן (המקומית).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1-BM-B bending magnet X-ray source Advanced photon Source/ Argonne National Lab http://www.aps.anl.gov/Xray_Science_Division/Optics/Beamline/
LYSO Scintillator Proteus Inc http://www.apace-science.com/proteus/lyso.htm#top
Coolsnap HQ2 CCD detector Photometrics http://www.photometrics.com/products/ccdcams/coolsnap_hq2.php
ATC 2000 UHV sputtering deposition system AJA International Inc http://www.ajaint.com/systems_atc.htm
MICROPOSIT S1800 photoresist Dow 
MICROPOSIT 351 developer Dow 
MA/BA6 lithography system SUSS MicroTec http://www.suss.com/en/products-solutions/products/mask-aligner/maba6/overview.html
Spin coater WS-400-6NPPB Laurell Technologies Corporation http://www.laurell.com/spin-coater/?model=WS-400-6NPP-LITE
JBX-9300FS electron beam lithography system JEOL http://www.jeolusa.com/PRODUCTS/PhotomaskDirectWriteLithography/ElectronBeamLithography/JBX-9500FS/tabid/245/Default.aspx
CS-1701 RIE system Nordson March http://www.nordson.com/EN-US/DIVISIONS/MARCH/PRODUCTS/LEGACY/Pages/CS-1701-Anisotropic-RIE-Plasma-System.aspx
Techni Gold 25E Technic http://www.technic.com/eu/applications/industrial/industrial-chemistry/plating-chemistry
Dektak-8 surface profiler Bruker http://brukersupport.com/ProductDetail/1136
MICROPOSIT 1165 remover Dow 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Als-Nielsen, J., McMorrow, D. Elements of Modern X-ray Physics. 2nd, John Wiley & Sons Ltd. (2011).
  2. Born, M., Wolf, E. Principle of Optics. 7th expanded edition, Cambridge University. (1999).
  3. Lin, J. J. A., et al. Measurement of the Spatial Coherence Function of Undulator Radiation using a Phase Mask. Phys. Rev. Lett. 90, (7), 074801 (2003).
  4. Cloetens, P., Guigay, J. P., De Martino, C., Baruchel, J., Schlenker, M. Fractional Talbot imaging of phase gratings with hard X-rays. Opt. Lett. 22, (14), 1059-1061 (1997).
  5. Guigay, J. P., et al. The partial Talbot effect and its use in measuring the coherence of synchrotron X-rays. J. Synchrotron Rad. 11, 476-482 (2004).
  6. Kluender, R., Masiello, F., Vaerenbergh, P. V., Härtwig, J. Measurement of the spatial coherence of synchrotron beams using the Talbot effect. Phys. Status Solidi A. 206, (8), 1842-1845 (2009).
  7. Pfeiffer, F., et al. Shearing Interferometer for Quantifying the Coherence of Hard X-Ray Beams. Phys. Rev. Lett. 94, (1-4), 164801 (2005).
  8. Marathe, S., et al. Probing transverse coherence of x-ray beam with 2-D phase grating interferometer. Opt. Express. 22, (12), 14041-14053 (2014).
  9. Shi, X., et al. Circular grating interferometer for mapping transverse coherence area of X-ray beams. Appl. Phys. Lett. 105, (1-6), 041116 (2014).
  10. 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics