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

Engineering

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Summary

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。

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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

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。

Introduction

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 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。

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Protocol

実験1.計画

  1. シンクロトロンビームラインを識別します。そのビームラインでの実験の妥当性を見つけるために、ビームラインの科学者にお問い合わせください。
    注:この原稿で報告された実験は、APSのXSDの下で、光学系および検出器テストに専用されている1-BM-Bのビームライン、で行いました。
  2. ユーザーの提案とビームタイムリクエストを送信します。
  3. ビームラインの科学者と実験の詳細を詰めると検出器との間に必要以上と最も遠い距離をカバーし、長い移動ステージを格子および検出器の位置合わせ、2次元検出器(CCDやCMOS)のための電動ステージを含め、必要な機器を指定し、位相格子。
  4. 関連ウェブサイトに記載されている手順に従うことにより、ビームタイムの準備をします。安全トレーニングや必要な実験的な安全性評価フォームを完成させます。

2次元チェッカーボードのPhの調製ASEグレーティング

  1. 異なる横方向の角度θに沿って、干渉パターン、Pθの期間に関連している回折格子はp、の期間を決定します。異なる角度θに沿ったインターフェログラムの視認性値、Vθ(d) 、回折格子対検出器距離、dの関数として振動します。
    距離の2次元市松π/ 2位相格子、Vθ(d)ピークについて、
    式(1)
    N = 1、2、3 ...光子波長λを有します。干渉パターンは、正方形ブロックのエッジに沿って正方形のブロックの対角線方向とpの期間に沿っpθ= P /√2の特性周期を有するθ=π/ 2。 Pの選択は、このように、次のに依存しています基準。
  2. 必ず、少なくともいくつかVθ(d) ピークが最大の回折格子対検出器距離内にある、または実験ステーションの領域の制限、D max作ります。 θ<D MAX、D nを満たすためには、以下
    式(2)
    以下のためのn = 5、Dの 最大 = 1メートル、λ= 0.06888 nmの(18 keVの)、それ、pθ<3.9ミクロンを提供します。
  3. D max、θに順に最大の距離d nにおけるVθ(d)ピークの高さは、θは、最初Vθ(d) D 1のピークのことの因子γよりも低いことを確認してください正確なガウシアン減衰関数のフィッティングを持っています。したがって、γ= Vのθ、n個 の(d)/第一のピークに対するピーク可視n 番目の比である1(d)。コヒーレンス長を持つガウス強度分布、ξθ 、満たすためにニーズを格子π/ 2位相の期間を以下のX線源のための
    式3
    例えば、γ= 10%、ξθ= 5ミクロン以上のパラメータで、それ、pθ> 2.4ミクロンを提供します。
  4. 干渉パターンpθ、の期間が正しい検出器システムを選択することによって、検出器の空間分解能よりも数倍大きいことを確認してください。
  5. 使用して、λ、X線光子の波長で、φの位相シフトのために必要な格子の厚さTを決定します
    式4
    ここで、δ位相シフト材料の屈折率の減少です。例えば、Auのための屈折率の減少幅は18 keVのための9.7×10 -6です。 φ=π/ 2位相格子のためのAuの厚さは、このように1.8μmです。
  6. 窒化シリコン(Si 3 N 4)ウィンドウ上にパターンポリマー型に金を電気メッキすることによって位相格子を作ります。
    注:格子構造の窒化ケイ素の調製シリコン(Si 3 N 4)の窓基板および製造のための手順を以下に示します。
    1. 第1のX線透過窓を形成するため Si 3 N 4膜を放出することによって基板を準備します。
    2. ベンダーからのウエハの両面上に堆積し、低応力(<250メガパスカル)のSi 3 N 4を用いてシリコン(Si)ウェーハを取得します。
    3. 電気めっきベースとして作用するのCrとAuを堆積させるためにマグネトロンスパッタ成膜装置にウエハをロードします。
    4. クロム番目のデポジットが5nm製造元の指示に従って、ウェハの一方の側にAuを30nmと、アン。
      注:システムの製造元からの堆積プロセスは、堆積速度などの情報が含まれます。
    5. 堆積ツールからウェーハをアンロードします。製造を格子のためのCrとAuで堆積ウェハの側面を使用してください。
    6. 格子の合計サイズを決定した後、少し大きめのパターン膜にフォトリソグラフィマスクを設計します。ベンダーから購入することにより、フォトリソグラフィマスクを取得したり、フォトリソグラフィマスクを製造するために設計を行ってください。
    7. 何のCr及びAuのコーティングが存在しないウェハの裏面にフォトレジストの3μmの厚さの層をスピン。設計されたフォトリソグラフィマスクを用いて、20秒間UVリソグラフィツールを用いてレジストを露光。露出された脱イオン水とN 2を流しながら乾燥で洗い流し、その後30秒間水性アルカリ現像液のレジストを開発。
    8. 反応性イオンエッチング(RIE)ツールWにウエハをロードしますi番目の室に面したフォトレジストをパターニングします。露出したSi 3 N 4以下のツール命令をエッチングするためにCF 4プラズマを使用してください。
    9. RIEツールにエッチング室と入力エッチングレシピを退避します。 Si 3 N 4層が完全にエッチングされたSi層をパターン状に露光されるまで、レシピを実行します。
    10. 約8時間80℃に加熱し、30%KOH溶液に浸漬することにより、ウェーハ裏面に露出したSiをエッチングします。エッチングレートは約述べたレシピを使用して、75ミクロン/時間です。
    11. Siのエッチングが終了した後、脱イオン水およびN 2を流しながら乾燥ですすいでください。サンプルは、製造を格子の準備ができています。
  7. 次の手順を使用して、位相格子のための電気メッキの金型を製作。
    1. 正方形の市松格子パターンを設計し、100-250 nmのによって公開された正方形のパターンサイズを減少させることによって付勢パターンを補います。 gratの周り>50μmのワイドフレームを含めます後工程での厚さを確認するためのパターンをる。
    2. 試料をロードし、スピンコーター及び預金ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)は陽性試料の格子側のソリューションをレジスト。厚手の所望の最終的な格子厚に応じてレジスト膜を2から3.5ミクロンを形成するために、スピンコーターを抵抗する実行します。
      注記:回転速度に対する膜厚に関する情報をスピン曲線は、PMMA溶液のベンダーによって提供されるか、または経験的に決定することができます。
    3. 100keVの電子ビームリソグラフィーシステムにウエハをロードします。
    4. 10 nAのより大きい大暴露電流で露光するためのツールを校正。
    5. PMMAは、露光された領域を現像工程で除去される格子パターンを作成するために、100 keVの電子ビーム・リソグラフィ・ツールを使用してレジストを露光。レジスト厚さに応じて1,100-1,250μC/ cm 2の露光量範囲を使用してください。
    6. ツールからサンプルをアンロードします。
    7. 開発露光されたレジスト3(体積比)、イソプロピルアルコール(IPA):穏やかな旋回で30-40秒のための純水液7に浸漬することもできます。 IPAですすぎ、その後、N 2を流しながら乾燥。 PMMAが完全に光学顕微鏡を用いて露光された領域を見ることによって開発されたことを確認してください。
    8. 室内に面したPMMAパターンでRIEツールにサンプルをロードします。
    9. RIEツールにエッチング室と入力デスカムエッチレシピを退避します。デスカムプロセスが露出格子領域から残留PMMAを除去するために、短い(<30秒)O 2プラズマベースのエッチングです。
  8. 次の手順を使用して製造金型内に電気メッキによりAuの格子を終了します。
    1. 厚さ確認のために含まれるフレームを横断プロフィルのプローブを走査することにより、必ず電気めっき金型の厚さにします。
    2. 40℃に加熱した金亜硫酸電気メッキ溶液に試料を浸します。電気セットアップはELEで満たされたビーカーで構成されていますctroplating溶液、定電流直流電源、およびPtメッシュアノード。
    3. 露光パターンに露光されたAuを計算することにより、試料のめっき領域を決定し、成膜速度を設定するために使用される主要な変数である所望の電流密度の現在の計算。
    4. 印加電流密度によって決定されるめっき速度を用いて所望の格子厚に到達するために、めっき時間を計算します。
    5. 試料上の所定の電流を印加する直流電源をオンに陰極として作用し、約半分の合計メッキ時間用プレート。
    6. ステップ2.8.1で使用したのと同じ方法を用いて、メッキ厚を測定します。
    7. アカウントにステップ2.8.6で測定されたメッキの高さを取って、希望の格子厚のPMMA成形金型及び電気めっきに金を電気めっきするDC電源をオンにします。
  9. サンプルを浸漬することによって加熱した溶媒を用いた高分子型を削除します。その後opticaで検査格子周期、デューティサイクル、および格子厚を確認するL顕微鏡および走査型電子顕微鏡(SEM)。
    注:この実験が始まる前に2 2-D市松模様の位相格子(実験用とスペアとして1)準備ができて、数日を持っています。

3.シンクロトロン施設での実験のセットアップとアライメント

  1. 位相格子に一致する所望の値にX線ビームのエネルギーや波長を設定するには、ビームラインの科学者を要求します。 APS 1-BMのビームラインで日常的に使用されるX線のエネルギーは6と28 keVの間です。この場合、同調18 keVのに光子エネルギー。
  2. 検出器システムのための所望の対物レンズを選択します。ここでは、6.45×6.45μmの2画素サイズの1392×1040撮像画素でCoolsnap HQ2 CCD検出器を使用しています。最小の干渉パターンを解決するには、EC計画Neofluar 10×対物レンズを使用しています。倍率を含む検出器システムの有効画素サイズ顕微鏡対物レンズの効果は、このように0.64μmです。推定された空間分解能は約2μm、主に検出器システムの点広がり関数によるものであるです。
  3. 検出器システムの焦点合わせラフを設定するには、レンズ(使用されるシステムのための〜5.2ミリメートル)から「ワーキングディスタンス」でシンチレータ(ルテチウムイットリウムオキシオルトシリケート、厚さ150μm)を配置。最初に、シンチレータ位置はピコモーターを使用して調整されているように「連続モード」の下で取得した画像をモニターすることによって、周囲光の下でフォーカスを設定します。
  4. 垂直及び水平ステージは、ビームの中心に検出器の中心を揃え使用することにより、X線ビームに2次元検出器を移動させます。
  5. X線ビームに、 '相のサンプル」、発泡スチロールの例えばピースを置きます。相試料から散乱パターンを観察し、最高の画像の鮮鋭度までシンチレータ位置を調整することにより、検出器システムの焦点合わせ罰金を実行します。
  6. </ OL>

    4.実行コヒーレンス測定

    1. ビームのコヒーレンスを測定するX線ビームに回折格子2次元チェッカーボードを置きます。この場合、偏向電磁石の源34メートルです。
    2. X線ビームの伝播方向に直交する格子2次元チェッカーボード位相面を調整します。
    3. 電動式のステージを使用して、検出器連続モードで取得した画像を見ることで、X線ビームに回折格子を中央に配置します。
    4. 市松模様の対角線方向を所望の横ビーム方向に沿うようX線ビームの伝播方向(y)の周りに回折格子を回転させます。この場合には、ビームの水平方向と垂直方向のチェッカーボードの対角線方向(好ましい測定方向)に揃えます。微調整し、他の二つの軸(x及びz)の周りの格子回転はX線への垂直性を確保するため水平方向と垂直方向の両方で干渉期間を最大にすることによって達成されるビーム。
    5. ビームの進行方向に沿って位相格子に物理的に可能な限り近い検出器システムを移動します。本研究では、43ミリメートルの距離を使用します。
    6. 干渉パターンにおける最小の期間を計算します。周期pと格子π/ 2チェッカーボードは=4.8μmでは、それぞれ、=対角線と市松模様の非対角方向に沿った3.4ミクロンpθ= 2.4ミクロン(最小期間) との干渉パターンを生成します。 (1)滑らかな曲線を得るために中間の式で与えられるVθ(d)ピーク位置に必要なデータポイントの数を推定します。
    7. 各インターフェログラム、この場合は4秒のための適切な露光時間を選択します。
    8. 同じ露光時間で録音インターフェロ( 例えば 、4秒)で異なる格子対検出器距離。ビーム強度レベルに基づいて露光時間を選択してください。最小格子対検出器距離(43ミリメートル)から出発して、狭い間隔(ステップ4.6に基づいて決定さ10ミリメートル)によってX線の下流の検出器を移動させ、可能な最大grating-まで、各検出器の位置でのインターフェログラムを記録検出器の距離(750ミリメートル)。
    9. 同じ露光時間(4秒)とダークフレーム画像を取得するが、X線ビームをオフにして、他のすべての実験条件を同じに保ちます。

    5.データ解析

    注:データ分析のために利用可能な標準的なソフトウェアは現在ありません。

    1. 選択された画像処理プログラムを使用して、暗いフレーム画像(S)とデータイメージで読み取ります。減算することにより、データ画像を補正暗いフレーム画像を(平均)。
    2. フーリエ変換は、水平に見える高調波のピークを生成するダークフレーム補正された画像を、(変換します52; = 0°)、垂直(θ= 90°)だけでなく、θ= 45°、θ= 135°方向。
    3. 0次ピークを中心と0 番目の高調波画像をトリミング。それぞれ0 番目の水平及び垂直方向に沿って1次ピーク間の距離に等しい画像の長さおよび幅。同様に、関心の幅方向に沿って同じ長さと幅の1次高調波画像を得ます。
    4. 逆フーリエ変換(IFT)トリミングされた高調波画像を変換します。次の高調波イメージ番目の 0からのIFTの画像と任意の横方向に沿って1次高調波画像からIFT像の振幅の平均値の比は、その方向に沿って視認性を提供します。
      いくつかの高周波成分は、測定干渉に存在する場合、この方法が有効であることに留意されたいです。それ以外の場合、1はカレを使用することができますフーリエ変換のsponding高調波ピーク強度は、代わりにステップ5.4からの画像を変換します。ビーム発散のため、高調波のピーク位置が異なる格子対検出器距離で徐々に変化します。したがって、Pの補正は、「各距離でθやピーク検出処理が必要です。
    5. 異なる格子対検出器距離で測定されたすべての画像のための手順を繰り返し5.1から5.4とは、各画像の視認性値を保存します。
    6. 格子対検出器距離の関数としての視界Vθ(d)プロットします。 Vθ(d)ピーク時のデータポイントを特定します。完全な曲線はちょうどよりよい式(1)によって与えられたピーク位置を特定するために測定されたことに注意してください。手動で各ピークのいずれかの側にピークデータポイントだけでなく、隣接するデータポイントを選択します。
    7. 選択したデータポイントのガウシアンフィッティング関数を描画します。番目の、θσ、標準偏差を抽出電子ガウシアンフィッティング関数。
    8. 横方向のコヒーレンス長を取得し、ξθ、使用して
      式(5)

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Representative Results

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 N 4膜。回折格子は、ビーム方向に垂直であり、(b)は、図2に示すように、正方形の金ブロックの対角線は、水平方向及び垂直方向と平行となるようにX線ビーム内に配置されます。このような配向は、2つの目的があります:(ⅰ)それは水平方向と垂直方向に沿っている第一の方向に沿って高い視認性を確保し、及び(ii)それが第一の方向8に沿って格子周期の製造の不確実性の影響を低減します。

インターフェログラムは、(1) 図3の (a)で測定したインターフェログラムの中央部分を示す式で定義されるように、少なくとも5つのVθ(d)各横方向のピークをカバーする、異なる格子対検出器距離はdで記録しましたD 1,0°= 83ミリメートルおよび(b)は、D 4,0 </サブ> = 0°方向θに沿って第1および第4のピーク位置に対応°= 579ミリメートル、(P 0°= 3.4ミクロン)。これらのタルボ距離では2次元の市松模様は、(自己像)複製されます。 X線ビームのコヒーレンス特性は、それぞれの記録された画像のフーリエ解析から取得されたインターフェログラムの可視性に埋め込まれています。

フーリエ変換は、測定されたインターフェログラムの変換を異なる方向に沿ってインターフェログラムの周期的性質を代表するものであり、高調波のピークを生成します。一例として、 図3(c)および(d)は それぞれ図3(a)及び(b)のFT画像は、(FFT)高速フーリエ変換によって行われます。 FTの画像の中心対称に、4つの独立した1次ピークはすなわち、4方向に沿って存在しています<図2で定義されるようにEM>θ= 0°、45°、90°、135°(B)。各方向の周期(Pのθ)は 、中央 0次ピークとピークの相対位置から決定することができます。一例として、 図3(c)に取り、0°方向に沿って1次高調波のピークが容易に、図3(A)のライン型構造として識別することができ、P 0°= 3.4ミクロンで周期的構造を明らかにする。視界が1次ピークの振幅の比によって与えられる(θ1) 0次ピークと(θ0)、 またはVθ= 2θ1 /θ、 0 10。実際には視認性が得られた以下のプロトコルは、Figuに示すクロップボックスと5.5から5.7ステップRES 3(c)および(d)。明らかに0℃で1次ピークの強度は、D = 579 mmに減少視認性を示し、図3(c)に比べて、図3(d)にはるかに小さいです。これは、 図30°(B)に沿って周期構造がないことで証明されています。

以下のプロトコルは、5.8から5.12、 図3の(e)ステップdの関数としての視認性の進化を示しています。 Vθ(d)ピークの周りに選択されたデータにガウシアンフィッティングがσ0°= 180ミリメートルを提供します。横方向コヒーレンス長は、このようにξ0°= 3.6μmの式(5)以下。

= 45°方向θに沿って3、 図4提示結果をのように。 FTイメージ[参照図4(c)および(d)]は 、P 45°= 2.4ミクロンの周期を示します。したがって、Vθ(d) 45°のためのピークは、0°のそれと比較して短い距離(D 1,45°= 43ミリメートル及びd 4,45°= 293ミリメートル)で表示されます。この距離で、45度のために、インターフェログラムは、メッシュ型のパターン[参照図4(a)(b)]です。 図4(e)に示す可視進化はコヒーレンス長を与えるξ45°= 5.0ミクロン。すべての4つの利用可能な方向に同一のデータ分析手順を適用することによって、X線ビームの横方向コヒーレンス領域がマッピングされています。

図1
図1.実験のセットアップ。の概略APSの1-BM-Bのビームラインでのビームラインのセットアップ。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図2
図2. 2次元チェッカーボード格子。4.8ミクロンの周期を有する回折格子市松模様の(a)の SEM像。 (b)は (内または紙の指摘)ビームの伝播方向に垂直な横断面に配向格子。赤の中の数字は、θを示している。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3
図3.可視性のMeas 0°方向に沿ってurement。インターフェログラム、D 1で記録した0°= 83ミリメートルの(a)およびd 4,0°= 579ミリメートル(b)は 、0°に沿って第1および第4のV0°(d)ピーク位置に対応します方向(式(1)、P 0°= 3.4ミクロンを有する)、それぞれ。そのフーリエ変換は、それぞれ、0 番目を示す赤い破線、点線および緑色領域及び第1の高調波画像と、画像は(c)および(d)に示す変換します。 (e)の格子対検出器距離の関数としての視認性進化、D。赤い弾丸はガウスエンベロープはフィッティングのために各タルボ距離(赤破線の曲線)の周りに、選択したデータでありながら、青丸は、すべての実験データです。トン= "_空白">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図4
45°方向に沿って図4.可視性測定。インターフェロD 1,45°= 43ミリメートルの(a)およびd 4,45°= 293ミリメートル(b)は 、第1及び第4 Vに対応した45°(d)ピークで記録それぞれの(c)に示されるそれらのFT画像と、及び(d)、(P 45°= 2.4ミクロンを有する式(1))45°方向に沿った位置。 (e)は dの関数としての視認性の進化。詳細については、 図3キャプションを参照してください。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図5
図5.コヒーレンスエリアマップ。Coherenceの面積は4方向に沿って測定された横方向のコヒーレンス長を使用して可視化した。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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Discussion

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とき。格子市松模様の正方形ブロックの対角線に沿って、視感度曲線の格子周期の不整合の影響は無視され、より高い視認性が得られます。したがって、回折格子の向きの選択は横方向コヒーレンス測定を実行する必要がそれに沿って優先方向に依存します。

文献3に記載の技術と比較して、提示される方法は、CCF曲線を得るために、任意の形状モデルの仮定を必要としません。単相の回折格子の代わりに(製造ハードX線アプリケーションのために挑戦された格子位相と振幅格子を含む)は、2つの格子干渉計システム7を使用しました。単一の格子の使用は迅速を可能にしますセットアップと整列は、二つの格子干渉計システムと同じコヒーレンス情報を提供します。参考文献4-6に記載される研究にとどまらず、単一の格子干渉計は、同時に四つの異なる方向に沿ったコヒーレンス長をマッピングします。技術は、小さな領域にわたってビーム波面のコヒーレンスの局所変動を解消することが可能です。

技術によって提供されるX線ビームの横方向コヒーレンス情報実験を設計するためにも、データ分析のための事前知識としてだけでなく、非常に重要です。シンクロトロンとXFEL光源のコヒーレンス明るさが連続的にこのソースコヒーレンスを維持するために必要なX線光学系を増加させるように評価される必要があり、ここに記載された技術は、(ローカル)ビーム波面の横方向のコヒーレンスを測定するための素晴らしいツールになります。

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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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