Måling af X-ray Beam Sammenhæng ad flere retninger Brug 2-D Checkerboard Phase rist

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

Måleproceduren protokol og dataanalyse er givet for at opnå tværgående sammenhængen i en synkrotronstråling røntgenkilde langs fire retninger samtidig anvendelse af en enkelt 2-D skakbræt fasegitter. Denne simple teknik kan anvendes til fuldstændig tværgående sammenhæng karakterisering af X-ray kilder og X-ray optik.

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

En procedure for en teknik til at måle den tværgående sammenhæng synkrotronstråling røntgenkilder anvendelse af en enkelt fasegitter interferometer er rapporteret. Målingerne blev demonstreret på en-BM bøjning magnet beamline af Advanced Photon Source (APS) ved Argonne National Laboratory (ANL). Ved anvendelse af en 2-D skakbræt π / 2 faseskift rivning blev tværgående sammenhæng længder opnås langs de lodrette og vandrette retninger samt langs de 45 ° og 135 ° retninger til den horisontale retning. Efter de tekniske detaljer er angivet i dette papir, blev interferogrammer målt ved forskellige positioner nedstrøms for fase gitter langs bjælken formering retning. Synlighed værdier for hver interferogram blev udvundet fra at analysere harmoniske toppe i dens Fourier transformerede billede. Følgelig kan kohærenslængden langs hver retning ekstraheres fra udviklingen i synlighed som en funktion af gitteret-til-DETECtor afstand. Den samtidige måling af sammenhæng længder i fire retninger hjulpet til at identificere den elliptiske form af sammenhængen område af Gauss-formede røntgenkilde. Den rapporterede teknik til flere retningen sammenhæng karakterisering er vigtig for at vælge en passende stikprøve størrelse og retning samt til at korrigere de partielle sammenhæng effekter i sammenhæng spredning eksperimenter. Denne teknik kan også anvendes til at vurdere sammenhæng bevare kapaciteter røntgen optik.

Introduction

De tredje generation hårde X-ray synkrotronstråling kilder, såsom APS på ANL, Lemont, IL, USA (http://www.aps.anl.gov), har haft enorme konsekvenser for udviklingen af ​​X-ray videnskaber . En synkrotronstråling kilde genererer et spektrum af elektromagnetisk stråling, fra infrarøde til X-ray bølgelængder, når ladede partikler, som elektroner, er lavet til at bevæge sig nær lysets hastighed i en cirkulær bane. Disse kilder har meget unikke egenskaber, såsom høj lysstyrke, pulserende og pico-sekund timing struktur, og store rumlige og tidslige kohærens. X-ray stråle rumlig kohærens er en vigtig parameter af tredje og fjerde generation synkrotron kilder og antallet af forsøg, der gør brug af denne egenskab steget dramatisk i løbet af de seneste to årtier 1. De fremtidige opgraderinger af disse kilder, såsom den planlagte Multi-bøjning Achromat (MBA) gitter for APS lagerringen, vil dramatisk øge strålen sammenhængende flux (http: //www.aps.anl.gov/Upgrade/). X-ray stråle kan indstilles ved anvendelse af en krystal monokromator at opnå højere tidsmæssig sammenhæng. Den tværgående sammenhæng synkrotron kilder er betydeligt højere end for laboratorie baseret røntgenkilder grund af den lave elektronstråle emittance og lang formering afstand fra kilden til den eksperimentelle station.

Normalt er Youngs dobbelt-hul eller dobbelt-spalte eksperiment anvendes til at måle den rumlige kohærens af strålen gennem inspektion af synligheden af interferens frynser 2. For at opnå den fuldstændige Complex kohærensfunktionen (CCF), er systematiske målinger nødvendige med de to spalter placeret på forskellige positioner med forskellige separationer, hvilket er, især for hårde røntgenstråler, besværlige og upraktiske. Ensartet kan også anvendes Redundant Array (URA) for strålen sammenhæng måling ved anvendelse af det som en faseforskydning maske 3. Selvom den teknik kan tilvejebringe den fulde CCFEr det ikke model-fri. For nylig blev der interferometriske teknikker baseret på Talbot effekt udviklet ved hjælp af selv-imaging egenskab af periodiske objekter. Disse interferometre gøre brug af interferogram synlighed målt på et par selv-billeddannende afstande nedstrøms for gitteret til opnåelse strålen tværgående sammenhæng 4-9. Målinger af tværgående sammenhæng med to gittersystem er også rapporteret 7.

Kortlægning af tværgående bjælke sammenhæng, samtidigt langs lodrette og vandrette retninger blev først rapporteret af JP Guigay et al. 5. For nylig forskere i Optics Group, X-ray Science Division (XSD), af APS har rapporteret to nye teknikker til at måle stråle transverses sammenhæng langs mere end to retninger samtidig bruger to metoder: en med et skakternet fase gitter 8, og den anden med en cirkulær fasegitter 9.

I dette papir measurement og analysedata fremgangsmåder er beskrevet til opnåelse af den tværgående sammenhæng af strålen langs 0 °, 45 °, 90 °, og 135 ° retninger i forhold til den horisontale retning, samtidigt. Målingerne blev udført på en-BM beamline af APS med et skakternet π / 2 fase rist. Detaljerne i denne teknik er anført i protokollen afsnit omfatter: 1) planlægning af forsøget; 2) forberedelse af de 2-d skakternet fasegitter; 3) eksperiment opsætning og tilpasning på synkrotron facilitet; 4) udføre sammenhæng målinger; 5) dataanalyse. Desuden er de repræsentative resultater vist for at illustrere teknikken. Disse procedurer kan udføres på mange synkrotron beamlines med minimum ændringer på risten design.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Planlægning af eksperimentet

  1. Identificer synkrotron beamline. Kontakt beamline videnskabsmand for at finde det hensigtsmæssige i forsøget på at beamline.
    BEMÆRK: Eksperimenter rapporteret i dette manuskript blev udført ved 1-BM-B beamline, som er dedikeret til optik og detektorer testning under XSD af APS.
  2. Indsend en bruger forslag og stråle tid anmodning.
  3. Træn detaljerne i eksperimentet med beamline videnskabsmand og angive de nødvendige instrumenter, herunder motoriserede etaper for risten og detektoren tilpasning, 2-dimensional detektor (CCD eller CMOS), lange oversættelse etape dækker de mindst og fjerneste afstande nødvendige mellem detektoren og fasegitteret.
  4. Forbered dig på bjælken tid ved at følge instruktionerne i den relevante hjemmeside. Gennemfør de sikkerhedsmæssige træninger og nødvendige vurdering formular eksperimentel sikkerhed.

2. Fremstilling af 2-D Checkerboard Phase rist

  1. Bestem den periode af gitteret, s, som er relateret til den periode, hvor interferogram mønster, s θ, sammen forskellige tværgående retning vinkel θ. Synlighed værdier, V θ (d) på den interferogram langs forskellige θ vinkel oscillere som en funktion af gitteret-til-detektor afstand, d.
    For en 2-D skakternet π / 2 fase rist, V θ (d) toppe ved afstande,
    ligning 1
    med n = 1, 2, 3 ... og λ fotonen bølgelængde. Den interferogram mønster har en karakteristisk periode med p θ = p / √2 langs diagonalen retning af de firkantede blokke og en periode med p θ = p / 2 langs kanten af de firkantede blokke. Valget af p således afhængig af følgendekriterier.
  2. Sørg mindst flere V θ (d) toppe er inden den største rist-til-detektor afstand, eller den plads grænse for den eksperimentelle station, d max. For at tilfredsstille d n, θ <d max, følger
    ligning 2
    For n = 5, d max = 1 m, λ = 0,06888 nm (18 keV), giver p θ <3,9 um.
  3. Inden d max, skal du sørge for, at højden af V θ (d) top på den største afstand d n, θ er mindre end en faktor γ af den for første V θ (d) top ved d 1, θ for at have en præcis Gaussisk henfaldsfunktion montering. Derfor γ = V θ, n (d) /V θ, 1 (d), som er forholdet mellem den n'te peak synlighed til den første top. For en X-ray kilde efter Gauss intensitet fordeling med sammenhængen længde, ξ θ, perioden for en π / 2 fase rist behov for at tilfredsstille
    ligning 3
    for eksempel med γ = 10%, ξ θ = 5 um og parametre ovenfor, giver p θ> 2,4 um.
  4. Sørg for, at den periode, hvor interferogram mønster, s θ, er et par gange større end den rumlige opløsning af detektoren ved at vælge de rigtige detektor-systemer.
  5. Bestemme tykkelsen, T, af gitteret kræves for en faseforskydning på, φ, ved røntgen- foton bølgelængde, λ, under anvendelse
    ligning 4
    hvor δer brydningsindekset formindskelse af faseskift materiale. For eksempel brydningsindekset formindskelsen af Au er 9,7 × 10 -6 til 18 keV. Au tykkelse for φ = π / 2 fasegitter er således 1,8 um.
  6. Fabrikere fasegitteret ved elektroplettering Au i en mønstret polymer mug på en siliciumnitrid (Si 3N 4) vindue.
    BEMÆRK: Proceduren til fremstilling af siliciumnitrid (Si 3N 4) vindue substrat og fabrikation af gitteret struktur er vist nedenfor.
    1. Forbered substratet ved først at frigive Si 3N 4 membran til dannelse af X-ray transparent vindue.
    2. Erhverve silicium (Si) vafler med lav belastning (<250 MPa) Si 3N 4 anbragt på begge sider af skiven fra en leverandør.
    3. Læg skiven i en magnetronforstøvning deposition system til at deponere Cr og Au til at fungere som en galvanisering base.
    4. Depositum 5 nm af Cr thda 30 nm af Au på den ene side af skiven, efter producentens anvisninger.
      BEMÆRK: De udfældningsprocesser fra systemet producenten vil indeholde oplysninger såsom deposition sats.
    5. Aflæs wafer fra deposition værktøj. Brug den side af waferen deponeret hos Cr og Au til rivning fabrikation.
    6. Bestem den samlede størrelse af risten og derefter designe en fotolitografisk maske til mønster membraner lidt større. Brug designet til at erhverve en fotolitografisk maske ved at købe fra en sælger eller fremstille fotolitografi maske.
    7. Spinde en 3-um tykt lag af fotoresist på bagsiden af ​​skiven, hvor der ikke Cr og Au belægning. Udsætte modstå med en UV litografi værktøj i 20 sekunder ved hjælp af designet fotolitografi maske. Udvikle den udsatte modstå i vandig alkalisk fremkalderopløsning i 30 sek derefter skylles med deioniseret vand og tør med strømmende N2.
    8. Læg skiven i en reaktiv ion ætsning (RIE) værktøj wi'te mønstrede fotoresist vender kammeret. Brug CF 4 plasma at ætse de eksponerede Si 3N 4 følgende værktøjsmaskininstruktioner.
    9. Evakuer ætsning kammer og input etch opskrift ind RIE værktøj. Kør opskriften indtil Si 3N 4 lag er ætset fuldstændigt og Si lag er eksponeret i mønstret.
    10. Ætse eksponerede Si på waferen bagsiden ved nedsænkning i 30% KOH-opløsning opvarmet til 80 ° C i ca. 8 timer. Ætsehastighed er ca. 75 um / time ved hjælp af den angivne opskrift.
    11. Efter Si etch er færdig, skyl med deioniseret vand og tør med strømmende N2. Prøven er klar til rivning fabrikation.
  7. Fabrikere galvanisering støbeform til fasegitteret hjælp af følgende trin.
    1. Design pladsen skakternet gitter mønster og kompensere for mønster forspænding ved at reducere den udsatte firkant mønster størrelse ved 100-250 nm. Medtag en> 50-um bred ramme rundt om Greating mønster for tykkelse bekræftelse senere i processen.
    2. Indlæse prøven i en resist spin-coater og deponering poly (methylmethacrylat) (PMMA) positiv modstå løsning på gitteret side af prøven. Kør modstå spin-coater til dannelse af en 2 til 3,5-um tyk resistfilm afhængigt ønskede endelige rist tykkelse.
      BEMÆRK: Spin kurver med oplysninger om centrifugeringshastighed versus lagtykkelse leveres af PMMA løsningen sælgeren eller kan bestemmes empirisk.
    3. Indlæse wafer i en 100 keV elektronstrålelitografi system.
    4. Kalibrer værktøj til eksponering med en stor eksponering strøm større end 10 nA.
    5. Udsætte PMMA modstå anvendelse af en 100 keV e-beam litografi til at skabe det gittermønster, hvor områder udsat vil blive fjernet i udviklingen trin. Brug en eksponering dosisintervallet 1,100-1,250 pC / cm2 afhængigt modstå tykkelse.
    6. Aflæs prøven fra værktøjet.
    7. Udvikle den udsatte modståved nedsænkning i et 7: 3 (efter volumen) isopropylalkohol (IPA): deioniseret vand løsning til 30-40 sek under forsigtig skvulpen. Skyl med IPA, og tør efter med strømmende N2. Sørg for PMMA var fuldt udviklet ved at se på udsatte område med et optisk mikroskop.
    8. Læg prøven i en RIE værktøj med PMMA mønster vender kammeret.
    9. Evakuer ætsning kammer og input descum etch opskrift ind RIE værktøj. Den descum processen er en kort (<30 sek) O 2 plasma baseret etch at fjerne eventuel overskydende PMMA fra det blotlagte rist område.
  8. Afslut Au rist ved galvanisering ind i fabrikerede formen ved hjælp af følgende trin.
    1. Sørg for, galvanisering skimmel tykkelse ved at scanne sonde af en profilometer tværs rammen inkluderet for tykkelse bekræftelse.
    2. Sænk prøven i Au-sulfit galvanisering opløsning opvarmet til 40 ° C. Opsætningen galvanisering består af et bæger fyldt med electroplating løsning, en konstant strøm DC strømforsyning, og en Pt mesh anode.
    3. Bestem plating område af prøven ved at beregne den udsatte Au i den udsatte mønster, derefter beregne strøm til den ønskede strømtæthed, som er den primære variabel, der bruges til at indstille udfældningshastigheden.
    4. Beregn plating tid til at nå det ønskede rist tykkelse ved hjælp klædningen sats bestemmes af den anvendte strømtæthed.
    5. Tænd for DC-strømforsyning til at anvende den bestemte aktuelle på prøven, som en katode, og plade for cirka halvdelen af ​​den samlede plating tid.
    6. Mål plating tykkelse ved hjælp af samme metode, der anvendes i trin 2.8.1.
    7. Tænd for DC strømforsyning til galvanisere Au ind i PMMA skimmel og elektroplet til den ønskede rivning tykkelse, under hensyntagen til den belagte højde målt i trin 2.8.6.
  9. Fjern polymeren støber anvendelse af en opvarmet opløsningsmiddel ved at nedsænke prøven. Så inspicere med en optical mikroskop og et scanningelektronmikroskop (SEM) for at bekræfte gitterperioden, duty cycle, og rivning tykkelse.
    BEMÆRK: Have to 2-D skakternet fase riste (en for eksperimentet og en som et ekstra) klar, et par dage før eksperimentet begynder.

3. Forsøg Opsætning og justering på Synchrotronbestrålingscenter Facility

  1. Anmode beamline videnskabsmand at indstille røntgenstrålen energi eller bølgelængde til den ønskede værdi, der svarer fasegitteret. Rutinemæssigt anvendes røntgenenergier på APS 1-BM beamline er mellem 6 og 28 keV. I dette tilfælde tune fotonenergi til 18 keV.
  2. Vælg det ønskede objektiv for detektoren system. Her skal du bruge en Coolsnap HQ2 CCD-detektor med 1.392 × 1.040 imaging pixels på 6,45 × 6,45 um to pixel størrelse. For at løse den mindste interferensmønster, bruge et EF-plan Neofluar 10 × mål. Den effektive pixelstørrelse detektorsystemet herunder forstørrelsenvirkning af mikroskopisk Målet er således 0,64 um. Den anslåede rumlige opløsning er omkring 2 um, hvilket primært skyldes den punktspredningsfunktion af detektorsystemet.
  3. For at indstille den ru fokusering af detektoren systemet placere scintillator (lutetium-yttrium oxyorthosilicate, 150-um tyk) på "arbejdende afstand 'fra objektivet (~ 5.2 mm for den anvendte system). I første omgang indstille fokus under omgivende lys ved at overvåge de billeder, der er erhvervet under 'kontinuerlig tilstand' som scintillator position justeres ved hjælp af en pico-motor.
  4. Flyt 2-D-detektor i røntgenstrålen ved at anvende lodrette og vandrette stadier tilpasse midten af ​​detektoren til bjælken center.
  5. Placere en "fase prøve ', for eksempel et stykke Styrofoam, ind i røntgenstrålen. Udfør bøden fokusering af detektorsystemet ved at observere spredning mønster fra fase prøven og justering scintillatoren position, indtil den højeste skarphed.
  6. </ Ol>

    4. Udførelse Sammenhæng Målinger

    1. Placer 2-D skakbræt rist ind i røntgenstrålen hvor sammenhængen af ​​strålen skal måles. I dette tilfælde er det på 34 meter fra magneten kilde bøjning.
    2. Juster planet af 2-D skakbræt fasegitter at være vinkelret på retningen af ​​røntgenstrålen formering.
    3. Centrere gitteret til røntgenstrålen ved at bruge de motoriserede faser og kigge på billederne, erhvervet efter detektor kontinuert.
    4. Rotere gitteret omkring røntgenstrålen udbredelsesretning (y), således at den diagonale retning skakbrætmønster er langs den ønskede tværgående bjælke retning. I dette tilfælde, justere de diagonale retninger af skakternet (foretrukne måler retninger) i vandret og lodret retning af bjælken. Finjuster gitteret rotationer omkring de to andre akser (x og z) for at sikre sin vinkelrette til X-raystråle, hvilket opnås ved at maksimere interferogram perioder i både vandret og lodret retning.
    5. Flyt detektorsystemet så tæt som fysisk muligt at fasegitteret langs bjælken udbredelsesretningen. I denne undersøgelse anvender en afstand på 43 mm.
    6. Beregn den mindste periode i interferensmønstret. Den π / 2 skakbræt rist med perioden p = 4,8 um vil generere et interferensmønster med p θ = 3,4 um og p θ = 2,4 um (mindste periode) langs diagonalen og de ikke-diagonale retninger af skakbrætmønster hhv. Estimere antallet af datapunkter, der er nødvendige i-mellem V θ (d) toppositioner er givet ved ligning (1) for at opnå en jævn kurve.
    7. Vælg den relevante eksponeringstid for hver interferogram, fire sekunder i denne sag.
    8. Optag interferogrammer med samme eksponeringstid (f.eks 4 sek) vedforskellige rist-til-detektor afstande. Vælg eksponeringen tid baseret på bjælken intensitet niveau. Startende fra den mindste rist-til-detektor afstand (43 mm), flyt detektoren nedstrøms for røntgen af ​​små intervaller (10 mm bestemmes baseret på trin 4.6) og optage et interferogram ved hver detektor position, indtil den maksimalt mulige grating- til-detektor afstand (750 mm).
    9. Anskaf dark-frame billeder med samme eksponeringstid (4 sek), men slukke for X-ray stråle og holde alle andre eksperimentelle betingelser det samme.

    5. Data Analysis

    BEMÆRK: Der er i øjeblikket ingen standard software til rådighed til analyse af data.

    1. Brug det valgte billede behandlingsprogram, læse i mørke-frame billede (r) og de data billedet. Korriger data billedet ved at trække (gennemsnit) dark-frame billede.
    2. Fouriertransformation den mørke-frame korrigerede billede, som producerer synlige harmoniske toppe i den vandrette (52; = 0 *), lodret = 90 °) samt θ = 45 ° og θ = 135 ° retninger.
    3. Beskær 0 th orden harmoniske billede centreret på peak 0 th orden. Længden og bredden af billedet lig med afstandene mellem 0 th og 1 m ordens toppe langs de vandrette og lodrette retninger, hhv. Tilsvarende opnå de 1 st ordens harmoniske billeder af samme længde og bredde langs den tværgående retning af interesse.
    4. Invers Fourier-transformation (IFT) de beskårne harmoniske billeder. Forholdet gennemsnittet af amplituderne af IFT billede fra den 1. ordens harmoniske billede langs enhver tværgående retning til den for IFT billedet fra 0 th ordens harmoniske billede giver synligheden langs denne retning.
      Bemærk, at denne proces er gyldig, hvis der findes nogle højfrekvente komponenter i den målte interferogram. Ellers kan man bruge tilsvarende harmoniske topintensiteter af Fouriertransformation billeder fra trin 5.4 i stedet. På grund stråledivergensen, vil de harmoniske toppositioner ændre sig gradvist ved forskellige rist-til-detektor afstande. Derfor er en rettelse til p ved hver afstand eller der er behov for en top fund proces.
    5. Gentag trin 5,1-5,4 for alle de målte billeder ved forskellige rist-til-detektor afstande og redde synlighed værdi af hver billede.
    6. Plot synligheden V θ (d) som en funktion af gitteret-til-detektor afstand. Identificer datapunkter på V θ (d) toppe. Bemærk, at den fulde kurve blev målt blot til bedre at identificere de toppositioner givet ved ligning (1). Vælg manuelt peak datapunkter samt tilstødende datapunkter på hver side af hver top.
    7. Tegn Gaussisk montering funktion for de valgte datapunkter. Uddrag standardafvigelse, σ θ, af the Gaussisk montering funktion.
    8. Opnå den tværgående kohærenslængden, ξ θ, under anvendelse
      ligning 5

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Mens detaljerede eksperimentelle og simulation resultater kunne findes andre steder 8, kun dette afsnit viser udvalgte resultater at illustrere ovenstående måle- og dataanalyse procedurer. Figur 1 repræsenterer eksperimentet opsætningen på APS 1-BM-B beamline. Strålen størrelse er defineret af en 1 × 1 mm2 spalte anbragt opstrøms for Double Crystal Monochromator (DCM) og 25 m fra magneten kilde bøjning. DCM er afstemt til output fotonenergi på 18 keV. X-ray stråle passerer gennem flere ruder af beryllium (1 mm samlede tykkelse) placeret på forskellige steder langs strålevejen.

Figur 2 (a) viser den centrale del af scanningelektronmikroskop billede af 2-D skakbræt fasegitter fremstillet ved Center for Nanoscale Materials (CNM) i ANL. Gitterperioden er p = 4,8 um. De hvidlige pladser er Au blokke dannet påSi 3N 4 membran. Gitteret placeres i røntgenstrålen således at den er vinkelret på stråleretningen og diagonaler de kvadratiske guld blokke er parallelle med de vandrette og lodrette retninger, som vist i figur 2 (b). En sådan orientering tjener to formål: (i) det sikrer en større synlighed langs de primære retninger, som er langs de vandrette og lodrette retninger, og (ii) det reducerer effekten af fabrikation usikkerhed af gitteret periode sammen de primære retninger 8.

Interferogrammer blev registreret ved forskellige rist-til-detektor afstande, d, der dækker mindst fem V θ (d) toppe i hver tværgående retning som defineret i ligning (1). Figur 3 viser den centrale del af de målte interferogrammer i (a) d 1,0 ° = 83 mm og (b) d 4,0 </ sub> ° = 579 mm, hvilket svarer til de første og fjerde toppositioner langs θ = 0 ° retning (p 0 ° = 3,4 um). Ved disse Talbot afstande 2-D skakbrætmønster replikeres (selv-billeddannelse). Sammenhængen egenskab af røntgenstrålen er indlejret i interferogram synlighed, som er hentet fra Fourier analyse af hvert optagne billede.

Fouriertransformation af det målte interferogram producerer harmoniske toppe der er repræsentative for den periodiske karakter af interferogram langs forskellige retninger. Som et eksempel, figur 3 (c) og (d) er de FT billeder af figurerne 3 (a) og (b) henholdsvis udført ved Fast Fourier Transform (FFT). På grund af den centrale symmetri af FT billedet, fire uafhængige 1 st order toppe er til stede langs fire retninger, nemlig <em> θ = 0 °, 45 °, 90 ° og 135 °, som defineret i figur 2 (b). Periodiciteten (p θ) i hver retning kan bestemmes ud fra toppen stilling i forhold til centrale 0 th peak orden. Tag Figur 3 (c) som et eksempel, den 1. ordens harmoniske peak langs 0 ° retning afslører en periodisk struktur med p 0 ° = 3,4 um, som let kan identificeres som line-typen struktur i figur 3 (a). Synligheden er givet ved forholdet mellem amplituden af st ordre peak 1 (A θ, 1) til at af top 0 th rækkefølge (A θ, 0), eller V θ = 2 A θ, 1 / A θ, 0 10. Blev opnået synlighed i praksis følgende protokol trin 5,5-5,7 med afgrøder kasser vist i Figures 3 (c) og (d). Klart intensiteten af top den 1. orden ved 0 ° er meget mindre i figur 3 (d) end i figur 3 (c), hvilket indikerer en reduceret synlighed på d = 579 mm. Dette fremgår også i mangel på periodiske struktur langs 0 ° i figur 3 (b).

Følgende protokol trin 5.8-5.12, figur 3 (e) viser synligheden udviklingen som funktion af d. Den Gaussisk montering i de udvalgte data omkring V θ (d) toppe giver σ 0 ° = 180 mm. Den vandrette kohærenslængde er således ξ 0 ° = 3,6 um følgende ligning (5).

Svarende til figur 3, figur 4 præsenterer resultater langs θ = 45 ° retning. Tyveribilleder [jf figur 4 (c) og (D)] viser en periode af p 45 ° = 2,4 um. Derfor V θ (d) toppe for 45 ° vises kortere afstande (d 1,45 ° = 43 mm og d 4,45 ° = 293 mm) i sammenligning med for 0 °. På denne afstand, for 45 °, de interferogrammer er en maske-typen mønster [jfr figur 4 (a) og (b)]. Synligheden evolution vist i figur 4 (e) giver kohærenslængden ξ 45 ° = 5,0 um. Ved at anvende den samme dataanalyse procedure til alle fire tilgængelige retninger, er den tværgående sammenhæng område af røntgenstrålen kortlagt.

figur 1
Figur 1. Eksperimentel opsætning. Skematisk afbeamline setup i en-BM-B beamline af APS. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. 2-D Checkerboard rist. (A) SEM billede af skakbræt rist med en periode på 4,8 um. (B) Rist orientering i den tværgående plan vinkelret på strålen udbredelsesretningen (peger ind i eller ud af papiret). Tallene i rødt angiver θ. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. Synlighed Meas urement langs 0 ° Direction. interferogrammer registreret ved d 1, 0 ° = 83 mm (a) og d 4,0 ° = 579 mm (b), svarer til det første og fjerde V 0 ° (d) toppositioner langs 0 ° retning (ligning (1) med p 0 ° = 3,4 um), hhv. Deres Fouriertransformation billederne vises i (c) og (d), med de røde stiplede og grønne stiplede regioner angiver 0 th og 1 m harmoniske billeder, hhv. (E) Synligheden evolution som funktion af gitteret-til-detektor afstand, d. De blå cirkler er alle de eksperimentelle data, mens de røde kugler er data udvalgt omkring hver Talbot afstande for Gauss kuvert montering (rød stiplet kurve).t = "_ blank"> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. synlighed Måling langs 45 ° Direction interferogrammer registreret ved d 1,45 ° = 43 mm (a) og d 4,45 ° = 293 mm (b), svarer til det første og fjerde V 45 ° (d) top. positioner langs 45 ° retning (ligning (1) med p 45 ° = 2,4 um), med deres FT illustrationerne i (c) og (d) henholdsvis. (E) Synligheden evolution som en funktion af d. Se Figur 3 billedtekst for detaljer. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5. Sammenhæng området Vis. Sammenhæng område visualiseret ved hjælp af den målte tværgående sammenhæng længder langs fire retninger. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Figur 5 viser den estimerede tværgående kohærenslængde langs alle fire retninger. Det er klart, at 90 ° retning har højere ξ θ i forhold til 0 ° -retningen. Da beamline optik har ubetydelig indvirkning på bjælken sammenhæng på risten relative placering, den målte sammenhæng område er omvendt proportional med kilde størrelse område. Den præsenterede røntgenstråle sammenhæng måleteknik kortlægger dette nøjagtigt som kan vises som en ellipse med sin storakse langs den lodrette retning (jf figur 5). Det er vigtigt at bemærke, at med et velkarakteriserede rist kun interferogrammer ved de selv-billeddannende afstande eller få billeder omkring den selv-imaging afstand er nødvendig for at opnå kohærenslængden. En af begrænsningerne ved denne teknik er, at tværgående sammenhæng måling på et bestemt energi kræver et gitter optimeret til den energi.

Den technique er afhængig af nøjagtig måling af afstanden mellem gitteret og detektoren, især, når eksperimentet udføres under anvendelse gitteret med mindre perioder og lavere energier, for eksempel ved 8 keV. Langs diagonalt i firkantede blokke af skakternet rist, effekter af rist periode misforhold på synlighed kurven er ubetydelige, og der opnås højere visibilities. Derfor er valget af gitteret orientering afhænger af de foretrukne retninger langs hvilken tværgående sammenhæng målingen skal udføres.

Sammenlignet med den teknik beskrevet i reference 3, er den foreliggende fremgangsmåde ikke behøver antagelsen om enhver form model til opnåelse af CCF-kurven. En enkelt fasegitter anvendtes i stedet for et to-rist interferometer-system 7 (herunder en fasegitter og en amplitude rivning, hvoraf fremstillingen er udfordrende for hårde X-ray applikationer). Anvendelsen af ​​en enkelt rist muliggør hurtigopsætning og tilpasning samtidig give den samme sammenhæng oplysninger som to-rist interferometer system. Går ud over det arbejde, der er beskrevet i referencerne 4-6, enkelt rist interferometer kortlægger sammenhængen længde langs fire forskellige retninger samtidig. Teknikken er også i stand til at løse lokale variationer i sammenhængen i strålebølgefront over et lille område.

Den tværgående sammenhæng information af røntgenstrålen fra teknikken er meget vigtig, ikke kun for at designe forsøgene men også som a priori viden til dataanalyse. Som sammenhængen lysstyrke synkrotron og XFEL kilder stiger kontinuerligt X-ray optik er nødvendige for at bevare denne kilde sammenhæng har skal evalueres, og den her beskrevne teknik kan være et godt værktøj til at måle tværgående sammenhæng (lokale) strålebølgefront.

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