Meting van röntgenbundel coherentie langs meerdere richtingen gebruiken 2-D schaakbord faseraster

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

Het meetprotocol en data analyseprocedure worden gegeven voor het verkrijgen transversale coherentie van synchrotronstraling röntgenbron langs vier richtingen tegelijk via één 2-D dambord faseraster. Deze eenvoudige techniek kan worden toegepast voor volledige dwarse samenhang karakterisering van X-ray bronnen en X-ray optiek.

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

Een procedure voor een techniek om de transversale coherentie van synchrotronstraling röntgenbronnen meten met een faseraster interferometer wordt gerapporteerd. De metingen werden gedemonstreerd op de 1-BM buigen magneet bundellijn van de Advanced Photon Source (APS) Argonne National Laboratory (ANL). Door een 2-D dambord π / 2 faseverschuiving rooster werden transversale coherentie verkregen lengten langs de verticale en horizontale richtingen, en ook langs de 45 ° en 135 ° richtingen aan de horizontale richting. Na de technische gegevens in dit document werden interferogrammen gemeten op verschillende posities stroomafwaarts van het faseraster langs de balk voortplantingsrichting. Zichtbaarheid waarden van elke interferogram werden uit de analyse van harmonische pieken in zijn Fourier afbeelding Transformed. Bijgevolg kan de coherentie lengte langs elke richting worden gewonnen uit de evolutie van zichtbaarheid als functie van het raster te detector afstand. De gelijktijdige meting van coherentie lengte in vier richtingen heeft geholpen om de elliptische vorm van de coherentie gebied van de Gauss-vormige röntgenbron. De gerapporteerde techniek van meervoudige richting coherentie karakterisering is belangrijk voor de juiste grootte en oriëntatie sample selecteren en voor het corrigeren van de partiële coherentie effecten in samenhang verstrooiingsexperimenten. Deze techniek kan ook worden toegepast voor het beoordelen van samenhang behouden mogelijkheden van röntgenoptiek.

Introduction

De derde-generatie harde röntgenstraling synchrotron stralingsbronnen, zoals de APS bij ANL, Lemont, IL, USA (http://www.aps.anl.gov), hebben enorme gevolgen voor de ontwikkeling van röntgenstralen wetenschappen had . Een synchrotron stralingsbron genereert een spectrum van elektromagnetische straling, van infrarood tot röntgenstralen golflengten, wanneer geladen deeltjes, zoals elektronen, zijn gemaakt om te bewegen bij de lichtsnelheid in een cirkelbaan. Deze bronnen hebben zeer unieke eigenschappen zoals een hoge helderheid, gepulste en pico-seconde timing structuur, en grote ruimtelijke en temporele samenhang. Röntgenbundel ruimtelijke samenhang is een belangrijke parameter van de derde en vierde generatie synchrotron bronnen en het aantal experimenten gebruik te maken van deze eigenschap is dramatisch toegenomen in de afgelopen twee decennia 1. De toekomstige aanpassingen van deze bronnen, zoals de geplande Multi-bend achromaat (MBA) rooster voor de APS opslagring, zal veel meer op de bundel coherente flux (http: //www.aps.anl.gov/Upgrade/). De röntgenbundel kan gestemd worden door een kristal monochromator hogere temporele coherentie. De transversale coherentie van synchrotron bronnen significant hoger dan die van laboratoriumonderzoek röntgenbronnen vanwege de lage elektronenbundels emittance lange voortplantingsafstand van de bron tot het proefstation.

Gewoonlijk wordt Young's double-pinhole of tweespletenexperiment gebruikt om de ruimtelijke coherentie van de bundel te meten door de inspectie van de zichtbaarheid van de interferentiestrepen 2. Om het volledige complex coherentiefunctie (CCF) te verkrijgen, worden systematisch metingen nodig met de twee gleuven geplaatst op verschillende posities met verschillende scheidingen, die vooral voor harde röntgenstraling, omslachtig en onpraktisch. Gelijkmatig Redundant Array (URA) kan ook worden gebruikt voor bundel samenhang meten door gebruik als een faseverschuivingsmasker 3. Hoewel de techniek volledig CCF kan biedenHet is niet model-vrij. Meer recent, interferometrische technieken op basis van Talbot effect werden ontwikkeld met behulp van de self-beeldvorming eigendom van periodieke objecten. Deze interferometers maken van het interferogram zichtbaarheid gemeten op enkele zelf-beeldvorming afstanden stroomafwaarts van het rooster voor het verkrijgen van de dwarse ligger samenhang 4-9. Metingen van transversale coherentie met twee raster wordt ook gemeld 7.

Afbeelden van de dwarsbalk samenhang gelijktijdig langs verticale en horizontale richting werd voor het eerst beschreven door JP Guigay et al. 5. Een met een dambord faseraster 8, en de andere: Onlangs wetenschappers de Optica, X-ray Science Division (XSD), APS twee nieuwe technieken te meten bundel doorkruist samenhang langs meer dan twee richtingen tegelijk op twee manieren gerapporteerd met een cirkelvormige faseraster 9.

In dit artikel worden de MEASURement en gegevensanalyse worden beschreven voor het verkrijgen van de transversale coherentie van de bundel langs de 0 °, 45 °, 90 ° en 135 ° richtingen ten opzichte van de horizontale richting, gelijktijdig. De metingen werden uitgevoerd bij de 1-BM bundellijn van APS uitgevoerd met een dambord π / 2 fase raspen. De details van deze in het protocol lijst artikelen techniek zijn onder andere: 1) de planning van het experiment; 2) de voorbereiding van de 2-d dambord fase raspen; 3) instellingen van het experiment en de aanpassing aan de synchrotron faciliteit; 4) het uitvoeren van metingen samenhang; 5) data-analyse. Bovendien worden de representatieve resultaten getoond om de techniek te illustreren. Deze procedures kunnen bij veel synchrotron faciliteiten met minimale wijzigingen in het rooster ontwerp worden uitgevoerd.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Planning van het experiment

  1. Identificeer de synchrotron bundellijn. Neem contact op met bundellijn wetenschapper om de geschiktheid van het experiment op dat bundellijn vinden.
    LET OP: De experimenten die in dit manuscript werden uitgevoerd op de 1-BM-B bundellijn, die is gewijd aan de optica en detectoren testen, onder XSD van APS.
  2. Verzend een gebruiker voorstel en balk tijde verzoeken.
  3. Uitwerken van de details van het experiment met de bundellijn wetenschapper en geef de benodigde instrumenten, waaronder gemotoriseerde podia voor het rooster en de detector uitlijning, 2-dimensionale detector (CCD of CMOS), lange vertaling podium voor de minst en verste afstand nodig is tussen de detector en het faseraster.
  4. Bereid je voor op de balk tijd door het volgen van de instructies in de desbetreffende website. Voltooi de veiligheid trainingen en de nodige experimentele veiligheidsbeoordeling vorm.

2. Bereiding van de 2-D schaakbord Phase raspen

  1. Bepaal de periode van het raster, p, die gerelateerd is aan de periode van het interferogram patroon, p θ, langs verschillende dwarsrichting hoek θ. De zichtbaarheid waarden V θ (d) van de interferogram langs verschillende hoek θ oscilleren als functie van de raster-voor-detector afstand d.
    Voor een 2-D dambord π / 2 faseraster, V θ (d) pieken bij afstanden
    vergelijking 1
    met n = 1, 2, 3 ... en λ de golflengte foton. De interferogram patroon heeft een karakteristieke periode p θ = p / √2 langs de diagonaal van de vierkante blokken en gedurende θ p = p / 2 langs de rand van de vierkante blokken. De keuze van p berust dus op de volgendecriteria.
  2. Zorg ervoor dat ten minste enkele V θ (d) pieken in het grootste rooster-to-detector afstand of de ruimte grens van het proefstation, d max. Om d n voldoen, θ <d max, volgt
    vergelijking 2
    Voor n = 5, dmax = 1 m, λ = 0,06888 nm (18 keV), geeft p θ <3,9 urn.
  3. Binnen d max, zorg ervoor dat de hoogte van de V θ (d) piek bij de grootste afstand d n, θ ligt op minder dan een factor γ van die van de eerste V θ (d) piek bij d 1, θ om een nauwkeurige Gauss verval functie fitting. Dus γ = V θ, n (d) /V θ, 1 (d) dat de verhouding van de n piek zicht op de eerste piek. Voor een röntgenbron volgende Gaussische intensiteitsverdeling de coherentielengte, ξ θ, de periode van π / 2 faseraster behoeften voldoen
    vergelijking 3
    bijvoorbeeld met γ = 10%, ξ θ = 5 urn en parameters bovenstaande geeft θ p> 2,4 urn.
  4. Waarborgen dat de periode van het interferogram patroon, p θ, is enkele malen groter dan de ruimtelijke resolutie van de detector door het kiezen van de juiste detectiesystemen.
  5. Bepaal de dikte T van het raster nodig is voor een faseverschuiving van, φ, de golflengte röntgenfoton, λ, middels
    vergelijking 4
    waarbij δde brekingsindex verlagen van de faseverschuiving materiaal. Bijvoorbeeld, de brekingsindex verlagen van Au is 9,7 x 10 -6 18 keV. De Au dikte voor φ = π / 2 fase rooster is dus 1,8 micrometer.
  6. Fabriceren de fase rooster door het galvaniseren van Au in een patroon polymeer schimmel op een siliciumnitride (Si 3 N 4) venster.
    OPMERKING: De werkwijze voor de bereiding van siliciumnitride (Si 3N 4) venster substraat en vervaardiging van de roosterstructuur worden hieronder weergegeven.
    1. De ondergrond door eerst de Si 3N 4 membraan loslaten van de X-ray transparant venster vormen.
    2. Acquire silicium (Si) wafers met lage spanning (<250 MPa) Si 3N 4 aangebracht op beide zijden van de wafel van een leverancier.
    3. Laad de wafer in een magnetron sputtering Afzettingssysteem Cr en Au storten om als basis galvaniseren.
    4. Borg 5 nm van Cr then 30 nm Au aan één zijde van de wafer, volgens de aanwijzingen van de fabrikant.
      NB: Het opdampen van de fabrikant systeem zal informatie zoals afzettingssnelheid bevatten.
    5. Uitladen wafer van depositie tool. Gebruik de zijkant van de gestorte Cr en Au voor raspen fabricage wafer.
    6. Bepaal de totale omvang van het rooster en dan het ontwerpen van een fotolithografie masker om patroon membranen iets groter. Gebruik het ontwerp aan een fotolithografie masker te verwerven door de aankoop van een verkoper of fabriceren de fotolithografie masker.
    7. Spin-3 pm dikke laag fotoresist aan de achterzijde van de wafer waar geen Cr en Au coating. Expose de resist met een UV lithografie instrument 20 seconden met de ontworpen fotolithografie masker. Ontwikkelen van de blootgestelde te weerstaan in een waterige basische ontwikkelaar oplossing gedurende 30 seconden en spoel na met gedemineraliseerd water en droog met stromende N2.
    8. Laad de wafer in een reactief ionen etsen (RIE) gereedschap wet patroon fotoresist met uitzicht op de kamer. Gebruik CF 4 plasma blootgestelde Si 3 N 4 volgende instructies voor werktuigmachines etsen.
    9. Evacueren de ets kamer en input ets recept in RIE tool. Voer het recept tot Si 3N 4 laag volledig wordt geëtst en de Si-laag wordt blootgesteld in het patroon.
    10. Etsen blootgesteld Si op de wafer achterzijde door onderdompeling in 30% KOH-oplossing verwarmd tot 80 ° C gedurende 8 uur. Etssnelheid is ongeveer 75 um / uur met de aangegeven recept.
    11. Na Si ets is afgewerkt, spoelen met gedemineraliseerd water en droog met stromende N2. Het monster is klaar voor raspen fabricage.
  7. Fabriceren de galvanische mal voor de fase raspen met behulp van de volgende stappen.
    1. Het ontwerp van het plein dambord rooster patroon en compenseren patroon vertekenende door het verminderen van de blootgestelde vierkant patroon grootte van 100-250 nm. Onder meer een> 50 micrometer breed kader om de grating patroon voor bevestiging dikte later in het proces.
    2. Plaats het monster in een resist spinbekleder en borg poly (methylmethacrylaat) (PMMA) positief fotolakoplossing op het raster van het monster. Run de resist spin coater vormen 2 tot 3,5 pm dikke resistfilm afhankelijk van de gewenste uiteindelijke dikte rooster.
      OPMERKING: Spin bochten met gegevens over centrifugesnelheid versus laagdikte worden geleverd door de verkoper oplossing PMMA of kunnen empirisch worden bepaald.
    3. Laad de wafer in een 100 keV elektronenbundel lithografie systeem.
    4. Kalibreren tool voor belichting met een grote blootstelling aan stroom groter dan 10 nA.
    5. Expose de PMMA weerstaan ​​met behulp van een 100 keV e-beam lithografie tool om het rooster patroon, waarbij gebieden blootgesteld in de ontwikkeling stap zullen worden verwijderd creëren. Gebruik een blootstelling dosisbereik van 1,100-1,250 uC / cm2, afhankelijk van de dikte te weerstaan.
    6. Lossen van het monster uit het gereedschap.
    7. Ontwikkel de belichte weerstaandoor onderdompeling in een 7: 3 (volumeverhouding) isopropylalcohol (IPA): gedeïoniseerd water oplossing gedurende 30-40 sec onder zachtjes wervelen. Spoelen met IPA, en daarna droog met stromende N2. Zorg ervoor dat het PMMA werd volledig ontwikkeld door te kijken naar blootgestelde gebied met een optische microscoop.
    8. Laad het monster in een RIE tool met PMMA patroon met uitzicht op de kamer.
    9. Evacueren de ets kamer en input descum ets recept in RIE tool. De descum proces is een korte (<30 sec) O 2 plasma-gebaseerde etsen om eventuele resten PMMA van het blootgestelde rooster gebied te verwijderen.
  8. Beëindig de Au rooster door galvaniseren in de vervaardigde mal met behulp van de volgende stappen.
    1. Zorg ervoor dat de galvanische mal dikte door het scannen van de sonde van profilometer over het frame opgenomen voor de dikte bevestiging.
    2. Onderdompelen van het monster in de Au-sulfiet elektrolytische oplossing verwarmd tot 40 ° C. De galvanische installatie bestaat uit een beker gevuld met de electroplating oplossing, een constante stroom DC-voeding, en een Pt mesh anode.
    3. Bepaal de beplating gebied van het monster door het berekenen van de blootgestelde Au in het blootgestelde patroon, bereken stroom voor de gewenste stroomdichtheid, die de primaire variabele gebruikt om de afzetsnelheid te stellen.
    4. Bereken plating tijd om de gewenste rooster dikte te bereiken met behulp van de beplating tarief bepaald door de toegepaste stroomdichtheid.
    5. Schakel de gelijkspanningsvoeding de bepaalde stroom aan te leggen op het monster, als een kathode en plaat ongeveer de helft van de totale galvaniseertijd.
    6. Meet de plateringsdikte volgens dezelfde methode gebruikt in stap 2.8.1.
    7. Schakel de gelijkspanningsvoeding Au galvaniseren in de PMMA vorm en galvanisch tot de gewenste dikte rooster, rekening houdend met de geïllustreerde hoogte gemeten in stap 2.8.6.
  9. Verwijder het polymeer mal met behulp van een verwarmde oplosmiddel door onderdompeling van het monster. inspecteren vervolgens met een optical microscoop en een scanning elektronenmicroscoop (SEM) om rasterperiode, werkcyclus en raspen dikte bevestigen.
    OPMERKING: twee 2-D dambord fase roosters (één voor het experiment en één als reserve) klaar, een paar dagen voor het experiment begint.

3. Experiment Setup en onderlinge afstemming op het Synchrotron Facility

  1. Vraag de bundellijn wetenschapper de róntgenbundel energie of golflengte ingesteld op de gewenste waarde die overeenkomt met het faseraster. Routinematig röntgenenergieën de APS-1 BM bundellijn tussen 6 en 28 keV. In dit geval, tunen van de foton energie tot 18 keV.
  2. Selecteer de gewenste objectieflens voor het detectorsysteem. Hier, gebruik dan een Coolsnap HQ2 CCD detector met 1392 × 1040 pixels beeldvorming van 6,45 x 6,45 micrometer 2 pixelgrootte. Om de kleinste interferentiepatroon oplossen met behulp van een EG-plannen Neofluar 10 × doelstelling. De effectieve pixelgrootte van het detectorsysteem zoals de vergrotingeffect van microscopische bedoeling dat hierdoor 0,64 urn. De geschatte ruimtelijke resolutie ongeveer 2 urn, die vooral door de puntspreidingsfunctie van het detectorsysteem.
  3. Om de ruwe concentreren van de detector systeem in te stellen, plaatst u de scintillator (lutetium-yttrium oxyorthosilicate, 150 micrometer dik) op de 'werkende afstand' van de lens (~ 5.2 mm voor het gebruikte systeem). In eerste instantie ligt de focus onder omgevingslicht door het bewaken van de beelden onder 'continu' als scintillator positie verworven wordt aangepast met behulp van een pico-motor.
  4. Verplaats de 2-D detector in de röntgenbundel, met verticale en horizontale lijnen fasen het centrum van de detector aan de balk centrum.
  5. Plaats een 'sample fase', bijvoorbeeld een stuk piepschuim, in de röntgenbundel. Voer de fijnregeling van het detectorsysteem en houdt de verstrooiing patroon uit fase monster en het aanpassen van de scintillator positie tot de hoogste beeldscherpte.
  6. </ Ol>

    4. Het uitvoeren van Coherence Metingen

    1. Plaats de 2-D rooster schaakbord in de róntgenbundel waar de coherentie van de bundel te meten. In dit geval is op 34 meter van de buigende magneet bron.
    2. Stel het vlak van de 2-D dambord faseroosterverdeling loodrecht op de richting van de röntgenbundel propagatie.
    3. Centreer het raster om de röntgenbundel door het gemotoriseerde fase en kijken naar de detector onder continue wijze verkregen beelden.
    4. Draai het rooster rond de röntgenbundel voortplantingsrichting (y) zodat de diagonale richting van het schaakbordpatroon langs de dwarsbalk gewenste richting. In dat geval sluiten de diagonale richtingen van het schaakbordpatroon (meetrichtingen voorkeur) in horizontale en verticale richting van de bundel. Stem het raster rotaties rond de andere twee assen (x en z) de haaksheid aan de röntgenbron waarborgenbundel, die wordt bereikt door het maximaliseren van het interferogram perioden in zowel de horizontale als verticale richting.
    5. Beweeg het detectorsysteem fysisch zo dicht mogelijk bij de faseraster langs de balk voortplantingsrichting. In deze studie gebruikt een afstand van 43 mm.
    6. Bereken het kleinste periode van het interferentiepatroon. De π / 2 dambord rooster met periode p = 4,8 pm wordt een interferentiepatroon met p θ genereren = 3,4 um en p θ = 2,4 urn (kleinste periode) langs de diagonaal en de niet-diagonale richtingen van de dambordpatroon, respectievelijk. Schat het aantal gegevenspunten nodig tussenin V θ (d) piekposities gegeven door Vergelijking (1) een gladde curve verkregen.
    7. Kies de juiste belichtingstijd per interferogram vier seconden in dit geval.
    8. Record interferogrammen met dezelfde belichtingstijd (bijv 4 sec) opverschillende rooster-naar-detector afstand. Kies de belichtingstijd gebaseerd op de balk intensiteit. Vanaf de minimum raster naar detectorafstand (43 mm), bewegen de detector stroomafwaarts van de röntgenbron door kleine intervallen (10 mm bepaald op basis van stap 4,6) en een interferogram op elke detectorpositie opnemen tot het maximaal mogelijke grating- to-detectorafstand (750 mm).
    9. Acquire dark-frame van beelden met dezelfde belichtingstijd (4 sec), maar zet de röntgenbundel en houden alle andere experimentele omstandigheden hetzelfde.

    5. Data Analysis

    LET OP: Er is momenteel geen standaard software beschikbaar voor de data-analyse.

    1. Met behulp van de geselecteerde beeldbewerkingsprogramma, lees de afbeelding dark-frame (s) en het imago van de gegevens in. Correct beeld van de gegevens door het beeld (gemiddeld) dark frame af te trekken.
    2. Fourier-transformatie de donkere frame gecorrigeerde beeld, die zichtbaar harmonische pieken in de horizontale produceert (52, = 0 °), verticale = 90º) als θ = 45 ° en θ = 135 ° richtingen.
    3. Snijd de 0 th orde harmonische beeld gecentreerd op de 0 Ode orde piek. De lengte en breedte van het beeld gelijk aan de afstanden tussen de 0 e en 1 e orde toppen aan de horizontale en verticale richting, respectievelijk. Ook krijgen de 1 e orde harmonische beelden van dezelfde lengte en breedte langs de dwarsrichting van belang.
    4. Inverse Fourier Transform (IFT) de bijgesneden harmonische beelden. Verhouding van het gemiddelde van de amplitudes de IFT beeld vanaf 1 van orde harmonische beeld langs elke dwarsrichting die de IFT beeld van de 0 Ode orde harmonische beeld geeft van het zicht langs die richting.
      Merk op dat dit proces is geldig als paar hoogfrequente componenten bestaan ​​in de gemeten interferogram. Anders kan men de corre gebruikenkomstige harmonische piek intensiteiten van de Fourier-transformatie beelden van stap 5.4 in plaats daarvan. Door de bundeldivergentie, zal de harmonische piekposities geleidelijk veranderen bij verschillende rooster-naar-detector afstand. Daarom is een correctie op p op elke afstand of een piek vaststelling proces nodig.
    5. Herhaal stap 5,1-5,4 voor alle gemeten beelden op verschillende rooster-to-detector afstanden en sla de zichtbaarheid waarde van elk beeld.
    6. Zet de zichtbaarheid V θ (d) als een functie van het raster naar detectorafstand. Identificeer gegevenspunten bij V θ (d) pieken. Merk op dat de volledige curve gemeten net ten piekposities gegeven door Vergelijking (1) beter te identificeren. handmatig selecteren piek gegevenspunten en naburige gegevenspunten aan weerszijden van elke piek.
    7. Teken Gauss passende functie voor de geselecteerde data punten. Extract standaarddeviatie σ θ, of the Gauss fitting functie.
    8. Het verkrijgen van de dwarse samenhang lengte, ξ θ, met behulp
      vergelijking 5

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Terwijl gedetailleerde experimentele en simulatieresultaten elders kon worden gevonden 8, alleen dit gedeelte worden geselecteerd resultaten aan de bovenstaande meting en data-analyse procedures te illustreren. Figuur 1 geeft de instellingen van het experiment op de APS-1-BM-B bundellijn. De bundelgrootte wordt bepaald door een 1 x 1 mm2 sleuf stroomopwaarts van de dubbel kristal Monochromator (DCM) en 25 m van het buigen magneet bron. DCM is afgestemd output foton energie van 18 keV. De röntgenbundel gaat door verschillende Beryllium vensters (1 mm totale dikte) geplaatst op verschillende locaties langs de stralengang.

Figuur 2 (a) toont het centrale deel van de scanning elektronenmicroscoop beeld van de 2-D dambord fase van tralie vervaardigd bij het Centrum voor nanoschaal Materials (CNM) in ANL. De rasterperiode is p = 4,8 um. De witachtige pleinen zijn de Au blokken gevormd opSi 3N 4 membraan. Het raster geplaatst in de röntgenbundel zodanig dat het loodrecht op de bundelrichting en de diagonalen van het vierkant goud blokken evenwijdig aan de horizontale en verticale richtingen zijn, zoals in figuur 2 (b). Zodanige oriëntatie heeft twee doelen: (i) het zorgt voor een grotere zichtbaarheid langs de eerste richting, die langs de horizontale en verticale richting, en (ii) vermindert het effect van vervaardiging onzekerheid van de rasterperiode langs de eerste richting 8.

Interferogrammen werden opgenomen bij verschillende rooster-naar-detector afstanden d, dat ten minste vijf V θ (d) pieken in elke dwarsrichting zoals gedefinieerd in vergelijking (1). Figuur 3 toont het centrale gedeelte van de gemeten interferogrammen bij (a) d 1,0 ° = 83 mm en (b) d 4,0 </ sub> ° = 579 mm, overeenkomend met de eerste en vierde piek posities langs θ = 0 ° richting (p 0 ° = 3,4 pm). Bij deze Talbot afstanden 2-D dambordpatroon wordt gerepliceerd (self-imaging). De samenhang eigenschap van de róntgenbundel is ingebed in het interferogram zicht, die worden opgehaald uit de Fourier analyse van elke opname.

De Fourier-transformatie van het gemeten interferogram produceert harmonische pieken die representatief zijn voor de periodiciteit van het interferogram langs verschillende richtingen. Als voorbeeld, Figuren 3 (c) en (d) de FT afbeeldingen van de figuren 3 (a) en (b), respectievelijk door de Fast Fourier Transform uitgevoerd (FFT). Vanwege de centrale symmetrie van het beeld de FT, vier onafhankelijke 1e orde pieken zijn aanwezig langs vier richtingen, namelijk <em> θ = 0 °, 45 °, 90 ° en 135 °, zoals gedefinieerd in figuur 2 (b). De periodiciteit (p θ) in elke richting kan worden bepaald uit de piek ten opzichte van het centrale 0 Ode orde piek. Neem Figuur 3 (c) als een voorbeeld, de 1 ste orde harmonische piek aan 0 ° -richting onthult een periodieke structuur met p 0 ° = 3,4 pm, die gemakkelijk als lijntype structuur kan worden geïdentificeerd in Figuur 3 (a). De zichtbaarheid wordt gegeven door de verhouding van de amplitude van de 1 e orde piek (A θ, 1) tot die van de 0 Ode orde piek (A θ, 0), of V θ = 2 A θ, 1 / A θ, 0 10. In de praktijk werd de zichtbaarheid verkregen volgende protocol stappen 5,5-5,7 met het gewas dozen getoond in Figures 3 (c) en (d). Duidelijk de intensiteit van de 1 e orde piek bij 0 ° is veel kleiner in figuur 3 (d) dan in Figuur 3 (c), die een verminderd zicht bij d = 579 mm aangeeft. Dit blijkt ook uit het gebrek aan periodieke structuur aan 0 ° in figuur 3 (b).

Volgende protocol stappen 5,8-5,12 figuur 3 (e) toont de evolutie zichtbaarheid als functie van d. De Gauss-fitting om de geselecteerde gegevens rond V θ (d) pieken geeft σ 0 ° = 180 mm. De horizontale coherentielengte dus ξ 0 ° = 3,6 urn volgende vergelijking (5).

Soortgelijk aan figuur 3, figuur 4 geeft resultaten weer langs de θ = 45 ° richting. Diefstalafbeeldingen [zie Figuur 4 (c) en (d)] geven een periode van 45 ° p = 2,4 um. Derhalve V θ (d) pieken voor 45 ° verschijnen op kortere afstanden (d 1,45 ° = 43 mm en d 4,45 ° = 293 mm) in vergelijking met die van 0 °. Op deze afstand van 45 °, de interferogrammen een mesh-type pattern [zie Figuur 4 (a) en (b)]. De zichtbaarheid evolutie in figuur 4 (e) geeft de coherentielengte ξ 45 ° = 5,0 um. Door toepassing van dezelfde data analyseprocedure alle vier beschikbare richtingen, wordt de transversale coherentie gebied van de róntgenbundel gebracht.

Figuur 1
Figuur 1. Experimentele Setup. Schematische voorstelling van debundellijn setup op de 1-BM-B bundellijn van het APS. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2. 2-D Schaakbord raspen. (A) SEM beeld van het schaakbord rooster met een periode van 4,8 micrometer. (B) Grating oriëntatie in het dwarsvlak loodrecht op de balk voortplantingsrichting (richt in of uit het papier). De nummers in het rood geven θ. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 3
Figuur 3. Zichtbaarheid Meas urement samen 0 ° -richting. interferogrammen opgenomen in d 1, 0 ° = 83 mm (a) en d 4,0 ° = 579 mm (b) overeenkomt met de eerste en vierde V 0 ° (d) piekposities langs 0 ° richting (vergelijking (1) met p 0 ° = 3,4 pm), respectievelijk. De Fourier transformatie afbeeldingen worden getoond in (c) en (d) met de rode en groene gestippelde gestippelde gebieden waarin de 0 e en 1 st harmonische afbeeldingen respectievelijk. (E) De zichtbaarheid evolutie als functie van het raster tot detector afstand d. De blauwe cirkels zijn alle experimentele gegevens, terwijl de rode kogels zijn gegevens geselecteerd om elkaar heen Talbot afstanden voor de Gauss envelop fitting (rood gestippelde curve).t = "_ blank"> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 4
Figuur 4. zichtmeting langs 45 ° richting. Interferogrammen geregistreerd bij d 1,45 ° = 43 mm (a) en d 4,45 ° = 293 mm (b) overeenkomt met de eerste en vierde V 45 ° (d) piek posities langs 45 ° richting (vergelijking (1) met p 45 ° = 2,4 pm), met hun FT afbeeldingen in (c) en (d), respectievelijk. (E) De zichtbaarheid ontwikkeling als functie van d. Zie figuur 3 bijschrift voor meer informatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 5
Figuur 5. Samenhang Kaart van het gebied. Samenhang gebied gevisualiseerd met behulp van de gemeten dwarse samenhang lengtes langs vier richtingen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Figuur 5 toont de geschatte transversale coherentie lengte langs alle vier richtingen. Is duidelijk dat de 90 ° richting een hogere ξ θ vergeleken met 0 ° -richting. Aangezien de bundellijn optiek heeft een verwaarloosbaar effect op de balk samenhang op het raster relatieve locatie, de gemeten samenhang gebied is omgekeerd evenredig met de brongrootte gebied. De gepresenteerde röntgenbundel samenhang meettechniek brengt dit precies die getoond is als een ellips met een hoofdas langs de verticale richting (zie Figuur 5). Het is belangrijk op te merken dat met een goed gekarakteriseerde rooster alleen de interferogrammen bij de zelf-imaging bereik of aantal beelden rond de zelf-afbeeldingsafstand nodig zijn coherentielengte verkrijgen. Een van de beperkingen van deze techniek is dat transversale coherentie meting bij een bepaalde energie vereist een raster geoptimaliseerd voor die energie.

de technique gebaseerd op de nauwkeurige meting van de afstand tussen het rooster en de detector, vooral wanneer het experiment werd uitgevoerd met het raster met kleinere perioden en bij lagere energieën, bijvoorbeeld op 8 keV. Langs de diagonaal van de vierkante blokken van het schaakbordpatroon rooster, effecten van rasterperiode mismatch op de zichtbaarheid curve verwaarloosbaar en hogere zichten worden verkregen. Daarom is de keuze van het rooster oriëntatie afhankelijk van de gewenste richting waarlangs de transversale coherentie meting moet worden uitgevoerd.

Ten opzichte van het in referentie 3 beschreven techniek, is de gepresenteerde methode niet de aanname van elke vorm model nodig om de CCF curve te verkrijgen. Eén faseraster werd gebruikt in plaats van een twee-rooster interferometersysteem 7 (inclusief een faseraster en een amplituderaster, waarvan de fabricage is een uitdaging voor harde röntgentoepassingen). Het gebruik van een raster kan de snellesetup en uitlijning, terwijl die dezelfde samenhang informatie als de twee-rooster interferometer systeem. Verder gaan dan het werk in referenties 4-6 beschreven, het enige rooster interferometer brengt de coherentie lengte langs vier verschillende richtingen tegelijk. De techniek is ook geschikt voor het oplossen van plaatselijke variaties in de samenhang van de bundelgolffront een klein oppervlak.

De transversale coherentie gegevens van de röntgenbundel door de techniek van groot belang, niet alleen voor het ontwerpen van de experimenten, maar ook als a priori kennis voor de gegevensanalyse. Aangezien de helderheid samenhang van de synchrotron en XFEL bronnen continu verhoogt de X-ray optiek nodig is om deze bron samenhang te bewaren moet worden geëvalueerd en de hier beschreven techniek kan een geweldig hulpmiddel voor het meten van transversale samenhang van de (lokale) bundelgolffront zijn.

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