2-D 바둑판 위상 격자를 사용하여 여러 길을 따라 X 선 빔 일관성의 측정

Engineering

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Summary

측정 프로토콜 및 데이터 분석 과정은 동시에 격자 한 2-D 바둑판 위상을 사용하여 네 개의 방향을 따라 방사광 X 선원의 횡 일관성을 얻기 위해 주어진다. 이 간단한 기술은 X 선 소스와 X 선 광학 완전한 횡 간섭 특성화에 대해 적용될 수있다.

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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).

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Abstract

기술하는 절차 격자 간섭계가보고 한 위상을 사용하여 방사광 X 선 소스의 횡 간섭을 측정한다. 측정은 아르곤 국립 연구소 (Argonne National Laboratory)의 고급 광자 소스 (APS) (ANL)의 1-BM 굽힘 자석 빔라인에서 시연되었다. 2-D 바둑판 π / 2 위상 - 시프트 격자를 사용함으로써, 간섭 가로 길이는 수직 및 수평 방향을 따라서뿐만 아니라, 수평 방향으로 45 °, 135 ° 방향에 따라 얻었다. 이 문서에서 규정 된 기술 내용에 따라, 간섭 무늬가 빔 전파 방향을 따라 격자상의 하류 상이한 위치에서 측정 하였다. 각 간섭의 가시성 값은 그 푸리에 변환 된 이미지의 고조파 피크를 분석에서 추출 하였다. 결과적으로, 각각의 방향을 따른가 간섭 성 길이의 함수로서 가시 진화로부터 추출 될 수있는 격자 간 detec토르 거리. 간섭의 동시 측정은 네 방향 가우스 형 X 선 소스의 간섭 영역의 타원 형상을 식별 길이 도왔다. 여러 방향 간섭 특성화보고 기술은 적절한 샘플 크기 및 방향을 선택뿐만 아니라, 간섭 성 산란 실험 부분 간섭 효과를 보정하는 것이 중요하다. 이 기술은 X 선 광학 간섭 보존 능력을 평가하기 위해 적용될 수있다.

Introduction

이러한 ANL, Lemont, IL, USA (http://www.aps.anl.gov)의 APS와 같은 제 3 세대 하드 X 선 싱크로트론 방사선 소스는, X 선 과학의 발전에 엄청난 영향이 있었다 . 싱크로트론 방사원은 전자와 같은 대전 입자는, 원형 궤도에 빛의 속도 가까이 이동하게되는 X 선 파장에서 적외선, 전자기파의 스펙트럼을 생성한다. 이 소스는 높은 밝기, 펄스 및 피코 초 타이밍 구조, 대형 공간 및 시간 일관성과 같은 매우 독특한 특성을 갖는다. X 선 빔의 공간 코히 런스는 삼사 싱크로트론 소스의 중요한 파라미터와이 속성의 사용이 급격히 지난 20 동안 증가하게 실험의 수이다. 같은 APS 저장 링에 대한 계획 멀티 밴드 achromat (MBA) 격자 이러한 소스의 미래 업그레이드, 극적으로 빔 일관된 플럭스 (HTTP를 증가: //www.aps.anl.gov/Upgrade/). 상기 X 선 빔은 높은 시간적 일관성을 달성하기 위해 결정 단색화 장치를 사용하여 조정될 수있다. 싱크로트론 소스의 가로 간섭 때문에 실험 역 소스로부터 저 전자 빔 이미 턴스와 긴 전파 거리의 실험 기반 X 선 소스보다 훨씬 높다.

일반적으로 영의 핀홀 더블 더블 슬릿 실험 간섭 줄무늬 (2)의 시인성의 검사를 통해 상기 빔의 공간적 간섭을 측정하기 위해 사용된다. 전체 복합 결맞음 기능 (CCF)을 얻었다 체계적인 측정은 특히 번거롭고 실용적 하드 X 선을 위해, 각종의 분리와 다른 위치에 배치 된 두 개의 슬릿이 필요하다. 균일 중복 배열 (URA)는 또한 마스크 (3)을 위상 시프트으로 이용하여 광 간섭 측정을 위해 사용될 수있다. 이 기술은 전체 CCF를 제공 할 수 있지만그것은 모델 무료로하지 않습니다. 최근 탈봇 효과에 기초하여 간섭 기술은 객체의주기 자체 결상 속성을 사용하여 개발 하였다. 이 간섭계는 빔 폭 일관성 4-9 얻는 격자의 약간 하류 자기 촬상 거리에서 측정 된 간섭 무늬의 시인성을 사용한다. 이 격자 시스템을 사용하여 가로 일관성의 측정은 7보고됩니다.

동시에, 수직 및 수평 방향을 따라 가로 빔 간섭을 맵핑 제 JP Guigay 등에 의해보고되었다. 5. 바둑판 상 8 그레이팅 하나, 다른 : 최근에, 광학 그룹 X 선 과학부 (XSD)의 과학자들은 APS의 빔을 둘 이상의 방향으로 동시에 두 가지 방법에 따라 간섭을 트랜스 측정 개의 새로운 기술을보고 순환 단계 9 그레이팅.

이 용지를 지표 성과에장담 데이터 분석 과정은, 0 ° 따라 동시에 수평 방향에 대하여 45 °, 90 °, 135 ° 방향, 빔 폭 일관성을 얻기 위해 기술된다. 측정은 격자 바둑판 π / 2 위상 APS의 1-BM 빔라인에서 수행 하였다. 프로토콜 섹션에 나와있는이 기술의 세부 사항은 다음과 같습니다 : 실험 1) 계획; 2) 2D 격자 바둑판 단계의 제조; 3) 싱크로트론 시설에서 실험 설정 및 정렬; 4) 간섭 측정을 수행하는 단계; 5) 데이터 분석. 또한, 대표적인 결과는 방법을 설명하기 위해 도시된다. 이러한 절차는 격자 설계에 대한 최소의 변경으로 많은 싱크로트론 빔라인에서 수행 될 수있다.

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Protocol

1. 실험 기획

  1. 싱크로트론 빔라인을 확인합니다. 그 빔라인에서 실험의 적합성을 찾기 위해 빔라인 과학자에게 문의하십시오.
    참고 :이 논문에보고 된 실험은 APS의 XSD에서, 광학 검출기 테스트에 전념 1-BM-B의 빔라인에서 수행 하였다.
  2. 사용자 제안 및 빔 시간 요청을 제출합니다.
  3. 격자와 검출기 배열, 2 차원 검출기 (CCD 또는 CMOS), 검출기 사이에 필요한 최소한과 가장 먼 거리를 덮는 긴 번역 단계에 대한 동력 단계를 포함하여 필요한 악기를 빔라인 과학자와 실험의 세부 사항을 작업하고 지정 위상 격자.
  4. 관련 웹 사이트에서 제공하는 지침에 따라 빔 시간을 준비합니다. 안전 교육 및 필요한 실험 안전성 평가 양식을 작성합니다.

2-D 바둑판 박사 2. 준비ASE 격자

  1. 다른 횡 방향으로 각도 θ 함께, 간섭 패턴, P는 θ의 기간과 관련이 격자 쪽의 기간을 결정합니다. 다른 각도 θ에 따른 간섭의 표시 값 V θ (d)는, 격자 간 거리 검출기의 함수 D로 요동.
    거리에있는 2-D 바둑판 π / 2 위상 격자 V의 θ (d) 피크,
    식 (1)
    N = 1, 2, 3 ...과 λ 광자 파장. 간섭 무늬 패턴은 사각형 블록의 대각선 방향과 P는 θ의 기간 = 사각형 블록의 가장자리를 따라 P / 2를 따라 페이지 θ = P / √2의 특성 기간이 있습니다. 페이지의 선택은 따라서 다음에 의존기준.
  2. 확인 적어도 몇 V의 θ (d)에 피크가 가장 큰 격자 - 투 - 검출기 거리에 있습니다, 또는 실험 국의 공간 제한, D 최대를 확인합니다. D n을 만족하기 위해, θ는 <D 최대, 그것은 다음과
    식 (2)
    N = 5, D의 최대 = 1m의 경우, λ = 0.06888 나노 미터 (18 keV의)는 P는 θ <3.9 μm의를 제공합니다.
  3. D 최대 내에서, θ하기 위해 가장 큰 거리 (d)의 N에서 V의 θ (D) 피크의 높이가, θ는V의 θ (D) D (1)에서 피크의의 계수 γ보다 작은 있는지 확인 정확한 가우스 감쇠 함수 피팅이 있습니다. 따라서, γ = V의 θ, N (D) /첫 번째 피크 피크 가시성 n 번째의 비율 V의 θ 1의 (d). 코 히어 런스 길이를 갖는 가우시안 강도 분포에 후속하는 X 선 소스, ξ θ, 요구 격자 π / 2 단계의 기간을 만족하는
    식 (3)
    예를 들어, γ = 10 %, ξ θ = 5 μm의 이상 매개 변수, 그것은 P는 θ> 2.4 μm의를 제공합니다.
  4. 간섭 무늬 패턴, P는 θ의 기간이 올바른 검출기 시스템을 선택하여 검출기의 공간 해상도보다 몇 배인지 확인하십시오.
  5. , λ는 X 선 광자 파장, φ의 위상 시프트에 필요한 격자의 두께 T를 결정하여
    식 (4)
    여기서 δ위상 변화 물질의 굴절율의 감소이다. 예를 들어, 금에 대한 굴절률의 감소는 18 keV의 9.7 × 10-6이다. φ = π / 2 위상 격자의 금 두께는 따라서 1.8 ㎛의 것이다.
  6. 실리콘 질화물을 패터닝 고분자 성형체에 금을 전기 도금에 의해 격자 상 (SI 3 N 4) 윈도우를 제작.
    주 : 격자 구조의 실리콘 질화물의 제조 (SI 3 N 4) 윈도우 기판 및 제조 절차는 다음과 같다.
    1. 우선 X 선 투명 창을 형성하는 Si를 3 N 4 막 박리하여 기판을 준비한다.
    2. (<250 MPa의)의 Si 3 N 4는 공급 업체에서 웨이퍼의 양쪽에 부착 낮은 스트레스와 실리콘 (Si) 웨이퍼를 획득.
    3. 전기 도금베이스 역할 CR 또는 Au를 증착하기 위해 마그네트론 스퍼터링 증착 시스템으로 웨이퍼를로드.
    4. CR의 일의 예금 5 nm의제조사의 지침에 따라, 웨이퍼의 한쪽면에 금 30 nm의 EN.
      참고 : 시스템 제조업체에서 증착 공정은 증착 속도 등의 정보가 포함됩니다.
    5. 증착 도구에서 웨이퍼를 언로드합니다. 제조 격자에 대한 CR 및 금 기탁 웨이퍼의 측면을 사용합니다.
    6. 격자의 전체 크기를 결정하고 패턴 막에 약간 큰 포토 리소그래피 마스크를 설계한다. 공급 업체로부터 구입하여 포토 리소그래피 마스크를 취득하거나 포토 리소그래피 마스크를 제조하는 디자인을 사용합니다.
    7. 더 CR 및 금 코팅이없는 웨이퍼의이면에 포토 레지스트를 3 μm의 두께 층을 스핀. 설계 한 포토 리소그래피 마스크를 사용하여 20 초 동안 자외선 리소그래피 도구 레지스트 노출. 그 후에 30 초 동안 수성 알칼리 현상액에 레지스트 N이 흐르는 탈 이온수 린스 건조 노출 프로그래밍.
    8. 반응성 이온 에칭 (RIE) 도구 w로 웨이퍼를로드i 번째 챔버에 대향 된 포토 레지스트를 패터닝. 노출시 3 N 4 다음 도구 지침을 에칭 CF 4 플라즈마를 사용합니다.
    9. RIE 도구에 에칭 챔버 및 입력 에칭 레시피를 대피. Si를 3 N 4 층이 완전히 식각되어 상기 실리콘 층을 패턴 노광 할 때까지 레시피를 실행.
    10. 약 8 시간 동안 80 ° C까지 가열 된 30 % KOH 용액에 침지함으로써, 웨이퍼이면에 노출시 에칭. 에칭 속도는 대략 설명한 제조법을 사용하여 75 ㎛의 / 시간이다.
    11. 실리콘 에칭이 종료 된 후, N (2)를 흐르는 탈 이온수로 세정하고 건조. 샘플은 제조 격자에 대한 준비가되어 있습니다.
  7. 다음 단계를 사용하여 격자 단계의 전기 몰드를 제작.
    1. 광장 바둑판 격자 패턴 디자인과 100-250 nm의에 의해 노출 된 사각형 패턴의 크기를 줄여 바이어스 패턴을 보상. 한 위대한 주위> 50 μm의 넓은 프레임을 포함이후 과정에서 두께 확인을 위해 보내고 패턴입니다.
    2. 에 시료를 적재 스핀 코터와 증착 된 폴리 메틸 메타 크릴 레이트 (PMMA)를 양성 시료의 격자면에 용액을 레지스트. 원하는 최종 두께 격자 두께에 따라 레지스트 막 2 3.5 ㎛ 인을 형성하기 위해 레지스트를 스핀 코터를 실행.
      주 : 회전 속도 대 막 두께에 대한 정보와 함께 회전 곡선은 PMMA 용액 벤더에 의해 제공된다으로 또는 실험적으로 결정될 수있다.
    3. 100 keV의 전자빔 리소그라피 시스템에 웨이퍼를 적재.
    4. 10 nA의보다 큰 노출 전류에 노출 도구를 보정합니다.
    5. PMMA를 노출 부분은 현상 공정에서 제거되는 격자 패턴을 만들기 위해 100 keV의 전자빔 리소그라피 도구를 사용하여 레지스트를 노출. 레지스트 두께에 따라 1,100-1,250 μC / ㎠의 노광량의 범위를 사용한다.
    6. 도구에서 샘플을 언로드합니다.
    7. 개발 레지스트 노출3 (부피비) 이소 프로필 알코올 (IPA) : 완만 한 소용돌이로 30-40 초 동안 탈 이온수 용액 7에 침지하여. IPA와 린스, 그리고 N이 흐르는 한 후 건조. PMMA를 완전히 광학 현미경으로 노출 된 부분을 보면 개발 확인.
    8. 챔버에 직면 PMMA 패턴으로 RIE 도구로 샘플을로드합니다.
    9. RIE 도구에 에칭 챔버 및 입력 디스 컴 에칭 레시피를 대피. 디스 컴 공정은 노출 된 격자 영역에서 잔류 PMMA를 제거하는 짧은 (<30 초) O 2 플라즈마 기반의 에칭이다.
  8. 다음 단계를 사용하여 제작 된 금형에 전기 도금에 의해 금 격자를 마칩니다.
    1. 프레임 두께 확인을 포함 걸쳐 프로파일로의 프로브를 검색하여 확인 전기 금형 두께를 확인합니다.
    2. 40 ° C로 가열 금 - 파이트 전기 도금 용액에 샘플을 잠수함. 전기 도금 설정이 전자 업계 가득 비커로 구성되어있다ctroplating 용액, DC의 정전류 전원 공급 장치와, 백금 메쉬 애노드.
    3. 노광 패턴에 노출 된 금을 산출하여 샘플의 도금 영역을 결정 후, 증착 속도를 설정하는 데 사용되는 기본 변수로하여 원하는 전류 밀도, 현재 계산한다.
    4. 인가 전류 밀도에 의해 결정되는 도금 속도를 이용하여 원하는 격자의 두께에 도달하는 도금 시간을 계산한다.
    5. 약 절반의 총 도금 시간 캐소드 및 판으로서 작용하는 시료에 상기 결정된 전류를인가하는 직류 전원을 투입 (ON)한다.
    6. 단계 2.8.1에서 사용 된 동일한 방법을 이용하여, 도금 두께를 측정한다.
    7. 계정으로 단계 2.8.6에서 측정 된 도금 높이를 고려하여 원하는 격자 두께로 PMMA 금형 및 전기 도금에 금을 전기 도금하기 위해 DC 전원 공급 장치의 전원을 켭니다.
  9. 샘플을 침지하여 가열 된 용매를 사용하여 고분자 몰드를 제거합니다. 그런 다음하기 Optica과 검사L 현미경 및 주사 전자 현미경 (SEM)은 격자주기, 듀티 사이클, 및 격자 두께를 확인한다.
    참고 : 실험이 시작되기 전에이 2-D 바둑판 위상 격자 (실험 하나와 여분의 하나) 준비, 몇 가지 일을하게한다.

싱크로트론 시설에서 3. 실험 설정 및 정렬

  1. 위상 격자 일치 원하는 값으로 X 선 빔의 에너지와 파장을 설정하는 빔라인 과학자 요청. APS의 1-BM 빔라인에서 일상적으로 사용되는 X 선 에너지는 6, 28 keV의 사이에 있습니다. 이 경우, 18 keV의 조정에 광자 에너지.
  2. 검출기 시스템에 대해 원하는 대물 렌즈를 선택한다. 여기에, 6.45 × 6.45 μm의 2 픽셀 크기의 1,392 × 1,040 이미지 픽셀을 가진 Coolsnap HQ2의 CCD 검출기를 사용합니다. 작은 간섭 패턴을 해결하기 위해, EC 계획 Neofluar 10 × 목표를 사용합니다. 배율 검출기를 포함하는 시스템의 유효 화소 크기현미경 대물 렌즈의 효과는 따라서 0.64 μm의 것이다. 추정 된 공간 해상도로 인해 검출기 시스템의 점 분포 함수에 주로있는 정도, 2㎛이다.
  3. 렌즈에서 '작업 거리'에서 신틸 레이터 (두께 루테튬 - 이트륨 oxyorthosilicate, 150 μm의) 배치, 검출기 시스템의 초점을 거친을 설정하려면 (~ 사용 된 시스템을위한 5.2 mm). 먼저, 피코 모터를 사용하여 조정 신틸 레이터의 위치와 같은 '연속 모드'에서 획득 한 이미지를 모니터링하여 주변 광에 따라 포커스를 설정합니다.
  4. 수평 및 수직 스테이지 빔 중심 검출기의 중심을 정렬하여 상기 X 선 빔으로 2-D 검출기를 이동.
  5. X 선 빔으로 '위상 샘플', 스티로폼의 예를 들어 조각을 놓습니다. 위상 샘플로부터의 산란 패턴을 관찰하고 최상의 이미지 선명도까지 신틸 위치를 조정하여 상기 검출기 시스템의 초점 잘 수행한다.
  6. </ OL>

    4. 수행 일관성 측정

    1. 빔의 간섭을 측정 할 수있는 X 선 빔으로 2D 격자 바둑판을 놓는다. 이 경우에는, 굽힘 자석 소스로부터 34m이다.
    2. X 선 빔의 전파 방향에 수직으로 격자 2-D 바둑판상의 평면을 조정한다.
    3. 모터 구동 스테이지를 이용하여 검출기 연속 모드에서 획득 된 이미지를보고하여 X 선 빔의 중심 격자.
    4. 바둑판 패턴의 대각 방향 원하는 가로 빔 방향이되도록 X 선 빔 전파 방향 (Y) 주위의 격자를 돌린다. 이 경우, 빔의 수평 및 수직 방향으로 바둑판의 대각선 방향 (바람직 측정 방향)으로 정렬. 미세 조정은 다른 두 축 (xz) 주위의 격자 회전은 X 선에 수직 성을 보장모두 수평 및 수직 방향에서 간섭 구간을 최대화함으로써 이루어진다 빔.
    5. 상기 빔 전파 방향을 따라 격자 상에 물리적으로 가능한 한 근접 검출기 시스템을 이동. 본 연구에서는 43 mm의 거리를 사용한다.
    6. 간섭 패턴에서 가장 작은 기간을 계산합니다. 주기 p와 격자 π / 2 바둑판는 = 4.8 μm의 각각 = 대각선과 체크 무늬 패턴의 비 대각선 방향을 따라 3.4 μm의 P는 θ = 2.4 μm의 (최소 기간) P는 θ와 간섭 패턴을 생성합니다. (1) 평활 한 곡선을 얻기 위해 그 사이의 식 V의 θ (d) 피크 위치 필요한 데이터 포인트의 수를 추정한다.
    7. 각 간섭이 경우, 4 초 동안 적절한 노출 시간을 선택한다.
    8. 같은 노출 시간 (예를 들어, 4 초)에서와 기록 된 간섭다른 격자 간 거리 검출기. 빔 세기 레벨에 기초하여 노출 시간을 선택한다. 최소 격자 간 검출기 거리 (43mm)로부터 출발하여, 작은 간격으로 X 선의 하류에 검출기 (단계 4.6에 따라 결정 10mm)를 이동 가능한 최대 grating-까지 각 검출기 위치에서 간섭 무늬를 기록 에 검출기 거리 (750mm).
    9. 같은 노출 시간 (4 초) 어두운 프레임 이미지를 수집하지만 X 선 빔을 끄고 모든 다른 실험 조건을 동일하게 유지.

    5. 데이터 분석

    참고 : 데이터 분석에 사용할 수있는 표준 소프트웨어는 현재 없습니다.

    1. 상기 선택된 화상 처리 프로그램을 이용하여, 어두운 이미지 프레임 (S) 및 데이터 화상 판독. 제 (평균) 다크 프레임 이미지를 감산하여 데이터 이미지를 수정합니다.
    2. 푸리에 (수평에서 볼 수 고조파 피크를 생성하는 이미지 보정 어두운 프레임을 변환(52) = 0 °)은 수직 = 90 °) θ는 45 °, θ = 135 ° 방향 =뿐만 아니라.
    3. 0 번째 순서로 피크를 중심으로 0 번째 고조파 이미지를 자릅니다. 각각 0 번째의 수평 및 수직 방향을 따라 1 차 오더 피크 사이의 거리와 동일한 이미지의 너비와 길이. 마찬가지로, 관심있는 횡 방향으로 동일한 길이와 폭의 1 차 고조파 영상을 얻었다.
    4. 푸리에 자른 고조파 이미지 (IFT)를 변환 역. 1 차에서 IFT 화상의 진폭의 평균 비율은 방향의 시야를 제공하는 0 번째 고조파 IFT 화상으로부터 화상의 어떤 횡 방향 고조파 영상을 주문한다.
      몇 고주파 성분이 측정 된 간섭 무늬에 존재하는 경우,이 프로세스는 유효합니다. 그렇지 않으면, 하나는 corre를 사용푸리에의 sponding 고조파 피크 강도 대신 단계 5.4에서 이미지를 변환. 빔 발산으로 인해, 고조파 피크 위치는 다른 격자 - 투 - 검출기 거리에서 점진적으로 변경됩니다. 따라서, P '로 수정 각 거리 θ 또는 피크 발견 프로세스가 필요하다.
    5. 다른 격자 - 투 - 검출기 거리에서 모든 측정 된 이미지에 대한 단계를 반복 5.1-5.4 및 각 이미지의 가시성 값을 저장합니다.
    6. 격자 간 검출기 거리의 함수로서 가시 V의 θ (d)를 그린다. V의 θ (d)에 피크에서 데이터 포인트를 확인합니다. 전체 곡선은 단지 더 식 (1)에 의해 주어진 피크 위치를 식별하기 위해 측정합니다. 수동으로 각 피크의 양측에 피크 데이터 포인트뿐 아니라 인접한 데이터 요소를 선택한다.
    7. 선택된 데이터 포인트를 가우시안 피팅 함수를 그립니다. 제의, θ σ, 표준 편차를 추출전자 가우시안 피팅 함수.
    8. 가로 간섭 길이를 구 ξ θ 사용
      식 (5)

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Representative Results

자세한 실험 및 시뮬레이션 결과는 다른 곳에서 8 볼 수 있지만,이 섹션은 위의 측정 및 데이터 분석 절차를 설명하는 결과를 선택 보여줍니다. 1은 APS 1-BM-B의 빔라인에서 실험 설정을 나타내는 그림. 빔 크기는 휨 자석 소스로부터 이중 단색화 크리스탈 (DCM), 25 (M)의 상류에 배치 된 1 × 1mm이 슬릿에 의해 정의된다. DCM 18 keV의 출력의 광자 에너지로 튜닝된다. 상기 X 선 빔은 상기 빔 경로에 따라 다른 위치에 배치 된 여러 베릴륨 창 (1mm 두께의 합계)를 통과한다.

도 2 (a)는 2-D 바둑판 단계의 주사 전자 현미경 이미지의 중앙부 ANL의 나노 소재 센터 (CNM)에서 제조 된 격자이다. 격자주기는 = 4.8 μm의 P이다. 백탁 사각형에 형성된 금 블록입니다는 SI 3 N 4 막. 격자는 상기 빔 방향 및 사각형 금 블록의 대각선이 수평 및 수직 방향으로 평행에도 2에 도시 된 바와 같이,이 수직이되도록 X 선 빔에 배치된다 (b). 이 수평 및 수직 방향을 따라있는 기본 방향을 따라보다 높은 시인성을 보장하고, (ⅱ)이 기본 방향 (8)을 따라 회절 격자주기의 제조 불확실성의 영향을 감소 (I) 이러한 방향은 두 가지 목적으로 작용한다.

간섭 무늬 (1). (3)에서 측정 된 간섭 무늬의 중심 부분을 나타낸다 수학 식에 정의 된 각각의 가로 방향으로 적어도 5 V의 θ (d) 피크를 다루는 다른 격자 대 검출기 거리는, (D)에 기록 된 (a) D = 1.0 ° 83mm 및 (b)는 거라고 4,0 </ 서브> = 0 °의 방향 θ를 따라 제 1 및 제 4 피크 위치에 대응 ° = 579mm, (p = 0 ~ 3.4 μm의). 이 탤벗 거리에서 2-D 바둑판 패턴 (자기 이미지) 복제됩니다. X 선 빔의 간섭 특성은 각 기록 된 화상의 푸리에 해석으로부터 검색되는 간섭 무늬의 시인성에 포함된다.

푸리에 측정 된 간섭의 변환은 서로 다른 방향을 따른 간섭의 주기적 성질을 대표하는 고조파 피크를 생성한다. 예로서,도 3 (c)와 (d)는도 3의 FT 이미지들이다 (a)(b)는 각각 (FFT)을 고속 푸리에 변환에 의해 수행 하였다. 인해 FT 화상의 중심 대칭 네 개의 독립적 인 1 차 차수의 피크, 즉 네 개의 방향을 따라 존재하는 <EM> θ = 0 °, 45 °,도 2에 정의 된 바와 같은 90 °, 135 ° (b). 각 방향에서의주기 (P (θ))의 중심 0 차 오더 피크의 피크 상대 위치로부터 결정될 수있다. 예를 들어도 3 (C)를 받아, 0 ° 방향을 따라 1 차 고조파 피크 P 0 ° = 갖는주기 구조를 보여준다 용이도 3의 일자형 구조로서 식별 될 수 3.4 μm의 (a). 시야가 1 차 오더 피크의 진폭의 비에 의해 주어진다 (A θ, 1) 0 번째 차수의 피크의 그것 (A θ, 0) 또는 V의 θ = 2 θ 1 / A θ, 0 10. 실제로 가시성을 얻었다 다음 프로토콜은 Figu에 도시 자르기 상자 5.5-5.7 단계입술 3 (c) 및 (d). 분명히 0 ℃에서 1 차 오더 피크의 강도는 D = 579mm로 감소 시야를 나타내는도 3 (c)에 비해도 3 (d)에서 훨씬 작다. 이것은 또한도 3에 따라 0 °주기 구조의 부족으로 입증된다 (b).

다음 프로토콜 5.8-5.12,도 3의 (e) 단계 (d)의 함수로서 공개 진화를 나타낸다. V의 θ (d)에 피크 주변의 선택된 데이터에 대한 가우시안 피팅 σ 0 ° = 180mm를 제공합니다. 수평 간섭 성 길이 따라서 ξ = 0 °, 3.6 μm의 다음 식 (5).

그림 3과 유사하게, θ 따라 그림 4 선물 결과 = 45 ° 방향. FT이미지 [참조,도 4 (c)(d)]을 P 45 = 2.4 ㎛의 기간을 나타낸다. 따라서, V의 θ (d)에 45 °에 대한 피크가 0 °에 대한 그와 비교하여 짧은 거리 (D 1.45 ° = 43mm와 D 4,45 ° = 293mm)에 나타납니다. 이 거리에서 45도에 대해, 간섭 무늬가 메쉬 형 패턴 [참조,도 4 (a)(b)]이다. 도 4의 (e)에 도시 한 공개 진화가 간섭 성 길이를 제공 ξ = 45 ㎛의 5.0. 네 개의 가능한 방향으로 동일한 데이터 분석 방법을 적용함으로써, X 선 빔의 횡 간섭 영역에 매핑된다.

그림 1
그림 1. 실험 설정.의 도식APS의의 1-BM-B의 빔라인에서 빔라인 설치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2
그림 2. 2-D 바둑판 격자. 4.8 ㎛의 기간 격자 바둑판의 (a)는 SEM 이미지. (b) 상기 빔 전파 방향 (내부 또는 종이 지적)과 직교하는 횡 방향 평면 격자. 빨간색 숫자는 θ를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3
그림 3. 가시성 MEAS 0 ° 방향 urement. 간섭 무늬, D 1 기록 0 ° = 83mm (a)D 4,0 ° = 579mm (b)가 0 °를 따라 제 1 및 제 4 V 0 ° (d)의 피크 위치에 대응 방향 (식 (1) P 0 ° = 3.4 μm의 포함), 각각. 이들 푸리에 각각 0 번째 나타내는 붉은 점선 점선 및 녹색 영역 및 1 고조파 이미지, 이미지 (c)(d)에 도시되는 변형. (e) 상기 격자 간 거리 검출기의 함수 D로서 공개 진화. 붉은 총알 피팅 가우스 봉투 (빨간색 점선 곡선) 각 탤벗 거리 주위에 선택된 데이터 동안 파란색 원은 모든 실험 데이터입니다.t = "_ 빈">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4
45 ° 방향을 따라도 4 가시성 측정. 간섭 무늬 D 1,45 ° = 43mm (a)D 4,45 ° = 293mm (b) 상기 제 1 및 제 4 V에 대응하는 45도 (d) 기록 피크 각각 (c)에 도시들이 FT 이미지와, 그리고 (d), (p = 45 °와 2.4 ㎛의 식 (1)) 45 ° 방향의 위치. (E) (D)의 함수로서 공개 진화. 자세한 내용은 그림 3 캡션을 참조하십시오. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5
그림 5. 일관성 지역지도. 일관성 영역은 측정 가로 일관성 4 방향을 따라 길이를 사용하여 시각. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

그림 5는 네 방향을 따라 추정 가로 간섭 길이를 보여줍니다. 분명히, 90 ° 방향은 0 ° 방향에 비해 θ 높은 ξ 있습니다. 빔라인 광학 격자의 상대 위치의 빔 간섭에 무시할만한 효과를 갖기 때문에, 상기 측정 된 간섭 영역은 소스 영역의 크기에 반비례한다. 제시된 X 선 빔의 간섭 측정 기술은 수직 방향 (참조,도 5)을 따라 장축을 갖는 타원으로서 도시 될 수있는이 정확하게 매핑한다. 이 코 히어 런스 길이를 구하는 데 필요한 자기 촬상 거리 주위 자기 촬상 거리 또는 몇몇 이미지에서 잘 특징 격자 만 간섭 무늬와 점에 유의하는 것이 중요하다. 이 기술의 한계 중 하나는 특정 에너지의 횡 간섭 측정 에너지 최적화 된 격자를 필요로한다는 것이다.

테chnique가 격자와 검출기 사이의 거리의 정확한 측정에 의존하고, 특히, 실험 8 keV로, 예를 들어, 더 작은 기간으로 낮은 에너지에서 격자를 사용하여 수행하는 경우. 격자 바둑판의 사각형 블록의 대각선을 따라, 가시성 곡선 격자주기 불일치의 효과는 무시할 수 있으며, 높은 가시성를 얻을 수있다. 따라서, 격자 방향의 선택 폭 간섭 측정이 수행 될 필요가있는 따라 바람직한 방향에 의존한다.

문헌 3에 기재된 기술과 비교하여, 제시된 방법은 CCF 곡선을 얻기 위해 임의의 형상 모델의 가정을 필요로하지 않는다. 단상이 대신 사용 된 격자 두 격자 간섭계 시스템 (7) (격자 상을 포함하고, 격자 진폭, 어느 제조 하드 X 선 애플리케이션 용 도전 참조). 단일 격자의 사용은 빠른있게설정 및 정렬은 두 격자 간섭계 시스템과 같은 코 히어 런스 정보를 제공하고있다. 참조 4-6에서 설명하는 작업을 넘어, 하나의 격자 간섭계는 동시에 네 개의 서로 다른 방향을 따라 코 히어 런스 길이를 매핑합니다. 이 기술은 작은 영역에 걸쳐 빔 파면의 코 히어 런스 로컬 변화를 해소 할 수있다.

이 기술에 의해 제공되는 X 선 빔의 가로 간섭 정보는 실험 설계뿐만 아니라, 데이터 분석에 대한 선험적 지식뿐만 아니라, 매우 중요하다. 싱크로트론와 XFEL 소스의 간섭 휘도가 연속적이 소스 코 히어 런스를 유지하기 위해 필요한 X 선 광학 증가로 평가되어야하고 여기에 설명 된 기술은 (로컬) 빔 파면의 횡 간섭 측정을위한 훌륭한 도구가 될 수있다.

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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 

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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).

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