Mätning av röntgen Beam Coherence längs flera riktningar användning av 2-D Checkerboard fasgitter

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

Mätningen protokoll och dataanalys förfarande ges för att erhålla tvär konsekvens av en synkrotronljus röntgenkälla längs fyra riktningar samtidigt med hjälp av en enda 2-D schack fas gitter. Denna enkla teknik kan tillämpas för fullständig tvär samstämmighet karakterisering av röntgenkällor och röntgenoptik.

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

Ett förfarande för en teknik för att mäta den tvärgående enhetlighet i synkrotron strålningsröntgenkällor med användning av en enda fas gitter interferometer rapporteras. Mätningarna visades vid ett-BM avböjningsmagnet strålröret Advanced Photon Source (APS) vid Argonne National Laboratory (ANL). Genom att använda en 2-D schack π / 2 fasförskjutning rivning, var tvärgående konsekvens längder erhålls längs de vertikala och horisontella riktningar samt längs 45 ° och 135 ° vägbeskrivning till horisontell riktning. Efter de tekniska uppgifter som anges i detta dokument, var interferogram mäts vid olika positioner nedströms fas rivning längs balken utbredningsriktningen. Siktvärden för varje interferogram extraherades från att analysera harmoniska toppar i dess Fourier transformerade bilden. Följaktligen kan koherenslängden längs varje riktning extraheras från evolutionen av synlighet som en funktion av gittret-till-detektionstor avstånd. Samtidig mätning av koherens längder i fyra riktningar hjälpte till att identifiera den elliptiska formen hos den samstämmighet område av Gauss-formade röntgenkälla. Det rapporterade teknik för fler riktning samstämmighet karakterisering är viktig för val av lämplig provstorlek och orientering samt för att korrigera de partiella koherens effekter i överensstämmelse spridningsexperiment. Denna teknik kan också användas för att bedöma samstämmighet bevara kapacitet röntgenoptik.

Introduction

Den tredje generationens hård röntgen synkrotronljuskällor, såsom APS på ANL, Lemont, IL, USA (http://www.aps.anl.gov), har haft enorma konsekvenser för utvecklingen av röntgen vetenskaper . En synkrotronljuskälla alstrar ett spektrum av elektromagnetisk strålning, från infrarött till röntgenvåglängder, när laddade partiklar, såsom elektroner, är gjorda för att röra sig nära ljusets hastighet i en cirkulär omloppsbana. Dessa källor har mycket unika egenskaper, såsom hög ljusstyrka, pulsad och pico-sekunders tidsstruktur, och stora spatiala och temporala koherens. Röntgenstråle rumsliga sammanhang är en viktig parameter för de tredje och fjärde generationens synkrotron källor och antalet experiment som använder sig av den här egenskapen har ökat dramatiskt under de senaste två decennierna 1. De framtida uppgraderingar av dessa källor, såsom den planerade multi böj Achromat (MBA) galler för APS lagringsringen, dramatiskt ökar strålen sammanhängande flöde (http: //www.aps.anl.gov/Upgrade/). Röntgenstråle kan stämmas med användning av en kristall monokromator för att uppnå högre temporal koherens. Den tvärgående konsekvens av synkrotron källor är betydligt högre än för laboratoriebaserade röntgenkällor på grund av den låga elektronstråle emittans och långa utbrednings avstånd från källan till den experimentella stationen.

Normalt är Youngs dubbel-hål eller dubbelspaltexperiment används för att mäta den rumsliga konsekvens av strålen genom inspektion av synligheten av interferensfransar 2. För att erhålla den kompletta Complex koherensfunktionen (CCF), är systematiska mätningar behövs med de två slitsarna är placerade vid olika positioner med olika separationer, vilket är, i synnerhet för hård röntgenstrålning, besvärliga och opraktiska. Likformigt redundant array (URA) kan också användas för strålen samstämmighet mätning genom att använda den som en fasvridande mask 3. Även om tekniken kan ge hela CCFÄr det inte modell-fri. På senare tid har interferometriska tekniker baserade på Talbot effekt utvecklas med hjälp av själv imaging egendom periodiska objekt. Dessa interferometrar utnyttja interferogrammet synlighet uppmätt vid några självavbildnings avstånd nedströms av gittret för att erhålla strålen tvärgående samstämmighet 4-9. Mätningar av tvärgående samstämmighet med två gallersystem har också rapporterats 7.

Kartläggning av tvärbalken samstämmighet, samtidigt längs vertikala och horisontella riktningar rapporterades först av JP Guigay et al. 5. Nyligen forskare i Optik-gruppen, röntgen Science Division (XSD), APS har rapporterat två nya tekniker för att mäta strålen transverses samstämmighet längs mer än två riktningar samtidigt med två metoder: en med ett schackbräde fasgitter 8, och den andra med en cirkulär fasgitter 9.

I detta papper measurement och dataanalysförfaranden beskrivs för att erhålla den tvärgående konsekvens av strålen utmed 0 °, 45 °, 90 °, och 135 ° riktningar relativt den horisontella riktningen, samtidigt. Mätningarna utfördes vid en-BM strålröret av APS med ett schackbräde π / 2 fasgitter. Detaljerna i denna teknik som anges i protokollet avsnitt inkluderar: 1) planering av experimentet; 2) Framställning av 2-d schack fas gitter; 3) experimentet och inriktning på synkrotronljus anläggningen, 4) utföra enhetlighet mätningar; 5) dataanalys. Dessutom är de representativa resultat visas för att illustrera tekniken. Dessa förfaranden kan utföras på många synkrotron strålrör med minimi ändringar på gittret design.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Planering av experiment

  1. Identifiera synkrotronljus strålröret. Kontakta strålrör vetenskapsman för att hitta den lämplig av experimentet vid den strålröret.
    OBS: Experiment som redovisas i detta manuskript utfördes vid 1-BM-B beamline, som är tillägnad optik och detektorer testning under XSD APS.
  2. Lägga fram ett förslag användare och balk tid begäran.
  3. Utarbeta detaljerna av experimentet med beamline vetenskapsman och ange de nödvändiga instrument inklusive motoriserade etapper för rivning och detektor inriktning, två-dimensionell detektor (CCD eller CMOS), lång översättning skede omfattar de minst och mest avlägsna avstånd som krävs mellan detektorn och fasen gittret.
  4. Förbered dig för strålen genom att följa anvisningarna i den aktuella webbplatsen. Slutföra säkerhets utbildningar och nödvändig form bedömning experimentell säkerhet.

2. Framställning av 2-D Checkerboard Phase Galler

  1. Fastställa tiden för gallret, p, som är relaterad till den period då interferogram mönster, p θ, längs olika tvärriktningsvinkel θ. Synlighetsvärden, V θ (d) av interferogrammet längs olika θ vinkel svänga som en funktion av gallret till detektoravstånd, d.
    För ett 2-D schackbrädes π / 2 fasgitter, Ve (d) toppar vid avstånd,
    ekvation 1
    med n = 1, 2, 3 ... och λ fotonvåglängden. Interferogrammet mönstret har en karakteristisk period av p θ = p / √2 längs den diagonala riktningen av de fyrkantiga block och en period av p θ = p / 2 längs kanten av de fyrkantiga block. Valet av p bygger således på följandekriterier.
  2. Se till att åtminstone flera V θ (d) toppar ligger inom den största gitter-till-detektor avstånd, eller utrymmet gränsen för den experimentella stationen, d max. För att tillfredsställa d n, θ <d max, följer det
    ekvation 2
    För n = 5, d max = 1 m, λ = 0,06888 nm (18 keV), ger det p θ <3,9 um.
  3. Inom d max, se till att höjden på V θ (d) topp vid det största avståndet d n är θ mindre än en faktor γ av den i den första V θ (d) topp vid d en, θ för att har en noggrann Gauss avklingningsfunktion montering. Hence, γ = V θ, n (d) /V θ, 1 (d), som är förhållandet mellan den n: te topp synlighet till den första toppen. För en röntgenkälla efter gaussisk intensitetsfördelning med koherenslängden att ξ θ, den period av π / 2 fas rivning behov tillfreds
    ekvation 3
    till exempel, med γ = 10%, ξ θ = 5 um och parametrar ovan, ger det p θ> 2,4 um.
  4. Se till att perioden av interferogrammet mönster, p θ, är några få gånger större än den spatiala upplösningen av detektorn genom att välja de korrekta detektorsystem.
  5. Bestämma tjockleken, T, för gittret som krävs för en fasförskjutning på, φ, vid röntgenfotonvåglängden, λ, genom att använda
    ekvation 4
    där δär brytningsindex dekrement av fasvridande materialet. Till exempel, är brytningsindex dekrement för Au 9,7 x 10 -6 för 18 keV. Au tjocklek φ = π / 2 fas gitter är således 1,8 pm.
  6. Tillverka fas gitter genom galvanisering Au till en mönstrad polymer mögel på en kiselnitrid (Si 3 N 4) fönster.
    OBS: Förfarandet för framställning av kiselnitrid (Si 3 N 4) fönster substrat och tillverkning av gitterstrukturen presenteras nedan.
    1. Förbereda substratet genom att först frigöra Si 3 N 4-membran för att bilda den X-ray transparent fönster.
    2. Förvärva kisel (Si) wafers med låg påkänning (<250 MPa) Si 3 N 4 avsatt på båda sidor av skivan från en leverantör.
    3. Ladda skivan i en magnetronsputtringsavsättningssystem för avsättning av Cr och Au för att fungera som en elektroplätering bas.
    4. Deposition 5 nm av Cr thsv 30 nm av Au på den ena sidan av skivan, enligt tillverkarens anvisningar.
      OBS: utfällningsprocesser från systemtillverkaren kommer att innehålla information såsom avsättningshastigheten.
    5. Lasta skivan från deponerings verktyg. Använd den sida av skivan deponerats hos Cr och Au för rivning av tillverkning.
    6. Bestäm den totala storleken på gallret och sedan utforma en fotolitografi mask för att mönster membran något större. Använd design för att förvärva en fotolitografi mask genom att köpa från en leverantör eller tillverka fotolitografi mask.
    7. Snurra en 3-pm tjockt skikt av fotoresist på baksidan av skivan, där det inte finns någon Cr och Au-beläggning. Exponera motstå med en UV-litografi verktyg för 20 sekunder med hjälp av utformade fotolitografi mask. Utveckla den exponerade fotoresisten i vattenhaltig alkalisk framkallarlösning för 30 sek och skölj sedan med avjoniserat vatten och torka med flödande N2.
    8. Ladda skivan i en reaktiv jonetsning (RIE) verktyg wed mönstrade fotoresist inför kammaren. Använd CF 4 plasma att etsa de exponerade Si 3 N 4 Följande verktygs instruktioner.
    9. Evakuera etsningskammaren och ingångsetsnings recept i RIE verktyg. Köra receptet tills Si 3 N 4 skikt etsas helt och Si-skiktet är exponerat i mönstret.
    10. Etsa exponerade Si på skivan baksidan genom att sänka ned i 30% KOH-lösning värmdes till 80 ° C under ca 8 timmar. Etsningshastigheten är ca 75 | im / h med användning av det angivna receptet.
    11. Efter Si etsning är klar, skölj med avjoniserat vatten och torka med flödande N2. Provet är redo för rivning av tillverkning.
  7. Fabricera galvanisering form för fasgitter med följande steg.
    1. Utforma torget schack galler mönster och kompensera för mönster förspänning genom att minska den exponerade rutmönster storlek av 100-250 nm. Inkludera en> 50-um bred ram runt grating mönster för tjockleks bekräftelse senare i processen.
    2. Ladda provet i en resist spinnbeläggare och insättning poly (metylmetakrylat) (PMMA) positiv resist lösningen på gittret sidan av provet. Köra resisten spinnbelägga för att bilda en 2 till 3,5 ^ m tjock resistfilmen beroende på önskad slutlig gittret tjocklek.
      OBS: Spin kurvor med information om centrifugeringshastighet kontra skikttjocklek tillhandahålls av PMMA lösning leverantör eller kan bestämmas empiriskt.
    3. Ladda skivan i en 100 keV elektronstrålelitografisystem.
    4. Kalibrera verktyg för exponering med en stor exponering ström större än 10 nA.
    5. Exponera PMMA låta bli att använda en 100 keV elektronstrålelitografisystem för att skapa gittermönster, där områden som är utsatta kommer att tas bort i framkallningssteget. Använd en exponering dosintervallet 1,100-1,250 iC / cm 2 beroende på motstå tjocklek.
    6. Lasta provet från verktyget.
    7. Utveckla den exponerade motstågenom nedsänkning i en 7: 3 (volym) isopropylalkohol (IPA): avjoniserat vatten lösning för 30-40 sek med försiktig rotering. Skölj med IPA, och sedan torka med flödande N2. Säkerställa PMMA var fullt utvecklad genom att titta på det exponerade området med ett optiskt mikroskop.
    8. Ladda provet i en RIE verktyg med PMMA mönster som vetter mot kammaren.
    9. Evakuera etsningskammaren och ingångs descum etsnings recept i RIE verktyg. Den descum processen är en kort (<30 sek) O 2 plasma baserad etsnings att avlägsna eventuellt kvarvarande PMMA från den exponerade gitterområdet.
  8. Avsluta Au galler genom elektroplätering i den tillverkade formen med hjälp av följande steg.
    1. Se till galvanisering formtjockleken genom att skanna sonden av en profilometer över ramen ingår för tjocklek bekräftelse.
    2. Dränka provet i Au-sulfit elektropläteringslösning upphettades till 40 ° C. Galvanisering installationen består av en bägare fylld med den electroplating lösning, en konstant ström DC strömförsörjning, och en Pt mesh anod.
    3. Bestämma plätering område av provet genom att beräkna den exponerade Au i den exponerade mönstret, sedan beräkna ström för den önskade strömtätheten, vilket är det primära variabel som används för att ställa in avsättningshastigheten.
    4. Beräkna plätering tid för att nå önskad gitter tjocklek med användning av pläteringen hastighet som bestäms av den pålagda strömtätheten.
    5. Slå på likspänningskällan att tillämpa den bestämda strömmen på provet, i egenskap av en katod, och plattan för cirka hälften av det totala pläteringstid.
    6. Mäta plätering tjocklek med användning av samma metod som användes i steg 2.8.1.
    7. Slå på likspänningskällan att elektroplätera Au in i PMMA mögel och GALVANI till den önskade gitter tjocklek, med hänsyn till den pläterade höjd, mätt i steg 2.8.6.
  9. Avlägsna polymer form med användning av en uppvärmd lösningsmedel genom att sänka ned provet. Sedan inspektera med en Optical mikroskop och ett svepelektronmikroskop (SEM) för att bekräfta gitterperiod, pulskvot, och galler tjocklek.
    OBS: Har två 2-D schack fas gitter (en för experimentet och en som reserv) redo, några dagar före försöket börjar.

3. Experimentinställningar och anpassning på Synchrotron Facility

  1. Begära att strålröret vetenskapsmannen att ställa in röntgenstråleenergi eller våglängd till det önskade värdet som matchar den fasgittret. Som rutinmässigt används röntgenenergier vid APS 1-BM strålröret är mellan 6 och 28 keV. I detta fall, avstämma fotonenergin till 18 keV.
  2. Välj önskad objektiv för detektorsystemet. Här använder en Coolsnap HQ2 CCD-detektor med 1392 x 1040 bildgivande pixlar i 6,45 x 6,45 um två pixelstorlek. För att lösa den minsta interferensmönstret, använder ett EG-planen Neofluar 10 × objektiv. Den effektiva pixelstorlek av detektorsystem innefattande förstoringeneffekten av mikroskopiska mål är alltså 0,64 um. Den beräknade rumsliga upplösningen är omkring 2 | j, m, vilket främst beror på punktspridningsfunktionen hos detektorsystemet.
  3. För att ställa in grov fokusering av detektorsystemet, placera scintillator (lutetium-yttrium oxyorthosilicate, 150 um tjock) på "arbetsavstånd" från linsen (~ 5,2 mm för den använda systemet). Först ställa in fokus i omgivande ljus genom att övervaka bilderna som förvärvats under "kontinuerlig drift" som scintillator position justeras med en pico-motor.
  4. Flytta två tvådimensionella detektorn in i röntgenstrålen, genom att använda vertikala och horisontella stadier rikta in centrum av detektorn till strålens mitt.
  5. Placera en "provfasen", t ex en bit frigolit, i röntgenstråle. Utför finfokusering av detektorsystemet genom att observera spridningsmönstret från provfasen och justering av scintillatorn läge tills högsta bildskärpa.
  6. </ Ol>

    4. Utföra Coherence Mätningar

    1. Placera 2-D schackgaller i röntgenstråle där samstämmigheten i balken skall mätas. I detta fall är det på 34 meter från avböjningsmagnet källan.
    2. Justera planet för den 2-D checkerboard fasgitter att vara vinkelrät mot riktningen för röntgenstrålen utbredning.
    3. Centrera gallret till röntgenstråle med hjälp av motoriserade steg och titta på bilderna förvärvats enligt detektor kontinuerligt läge.
    4. Rotera gittret kring röntgenstrålen utbredningsriktningen (y), så att den diagonala riktningen av rutmönster är längs den önskade tvärbalken riktningen. I detta fall, rikta de diagonala riktningarna för schackbräde (föredragna mäter riktningen) i horisontell och vertikal riktning i balken. Finjustera gitter rotationer runt de andra två axlarna (x och z) för att säkerställa dess vinkelräthet mot X-raybalk, vilket uppnås genom att maximera interferogrammet perioderna i både de horisontella och vertikala riktningarna.
    5. Flytta detektorsystemet så nära som är fysiskt möjligt för fasgitter längs balken utbredningsriktningen. I denna studie använder ett avstånd av 43 mm.
    6. Beräkna den minsta period i interferensmönstret. Den π / 2 schack gitter med perioden p = 4,8 pm kommer att generera ett interferensmönster med p θ = 3,4 pm och p θ = 2,4 m (minsta period) längs diagonalen och icke-diagonala riktningar i rutmönster, respektive. Uppskatta antalet datapunkter som behövs i-mellan Ve (d) toppositioner som ges av ekvation (1) för att erhålla en jämn kurva.
    7. Välj lämplig exponeringstid för varje interferogram, fyra sekunder i detta fall.
    8. Spela interferogram med samma exponeringstid (t.ex. 4 sek) påolika gitter-till-detektor avstånd. Välj exponeringstiden baserad på balken intensitetsnivå. Utgångspunkt från det lägsta gitter-till-detektor avstånd (43 mm), flytta detektorn nedströms om röntgen med små intervaller (10 mm som bestämts baserat på steg 4,6) och registrera ett interferogram vid varje detektor position tills den maximalt möjliga grating- till-detektor avstånd (750 mm).
    9. Förvärva mörk frame bilder med samma exponeringstiden (4 sek), men stänga av röntgenstrålen och hålla alla andra experimentella betingelser samma.

    5. Dataanalys

    OBS: Det finns för närvarande ingen standard programvara för dataanalysen.

    1. Använda det valda programmet bildbehandling, läsa i mörker-frame bild (er) och databilden. Korrigera bilddata genom att subtrahera (i genomsnitt) dark-frame bild.
    2. Fouriertransformen mörk ram korrigerade bilden, som ger synliga övertons toppar i horisontell (52; = 0 °), vertikal = 90º) samt θ = 45 ° och θ = 135 ° riktningar.
    3. Beskära den 0: e överton bilden centrerad på 0: e ordningen topp. Längden och bredden på bilden motsvarar avstånden mellan 0: e och 1 st order toppar längs de horisontella och vertikala riktningarna, respektive. På liknande sätt erhålla de 1: a ordningens harmoniska bilder av samma längd och bredd längs den tvärgående riktningen av intresse.
    4. Invers Fourier Transform (IFT) de beskurna tonsbilder. Förhållandet mellan medelvärdet av amplituder av IFT bilden från den 1: a överton bild längs någon tvärgående riktning till den hos IFT bilden från 0: te överton bild ger sikt längs den riktningen.
      Notera att denna process är giltigt om några högfrekvenskomponenter finns i det uppmätta interferogrammet. Annars kan en använda motsvarande harmoniska toppintensiteterna Fouriertransformen bilder från steg 5,4 i stället. På grund av den stråldivergens, kommer de harmoniska toppositioner förändras gradvis vid olika gitter-till-detektor avstånd. Därför är en korrigering av p vid varje avstånd eller en topp konstaterande process behövs.
    5. Upprepa steg 5,1-5,4 för alla uppmätta bilder vid olika gitter-to-detektor avstånd och spara synligheten värdet för varje bild.
    6. Plotta synligheten V θ (d) som en funktion av gittret-till-detektor avstånd. Identifiera datapunkter vid V θ (d) toppar. Notera att den fullständiga kurvan uppmättes bara för att bättre kunna identifiera topposition som ges av ekvation (1). manuellt välja toppdatapunkter liksom intilliggande datapunkter på ömse sidor om varje topp.
    7. Rita Gaussian passande funktion för de valda datapunkterna. Utdrag standardavvikelse, σ θ av the Gaussian anpassningsfunktionen.
    8. Erhålla den tvärgående koherenslängden, ξ θ, med användning av
      ekvation 5

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Medan detaljerade experimentella och simuleringsresultat kunde hittas någon annanstans 8, bara det här avsnittet visar valda resultat för att illustrera ovanstående mätning och analys av data. Figur 1 visar experimentet vid APS 1-BM-B beamline. Strålstorleken definieras av en 1 x 1 mm 2 slits placerad uppströms om Double Crystal monokromator (DCM) och 25 m från avböjningsmagnet källan. DCM är avstämd till utgångsfotonenergi på 18 keV. Röntgenstråle passerar flera Beryllium fönster (1 mm total tjocklek) placerade på olika ställen längs med strålbanan.

Figur 2 (a) visar den centrala delen av svepelektronmikroskopbild av den 2-D schack fasgitter tillverkas vid Centrum för Nanoscale Materials (CNM) i ANL. Gitterperioden är p = 4,8 | j, m. De vitaktiga rutorna är Au blocken bildade påSi 3 N 4 membran. Gittret är placerad i röntgenstrålen så att den är vinkelrät mot strålens riktning och diagonaler de fyrkantiga guldblocken är parallella med de horisontella och vertikala riktningar, såsom visas i figur 2 (b). En sådan orientering tjänar två syften: (i) det garanterar en högre sikt längs de primära riktningar, som ligger längs de horisontella och vertikala riktningarna, och (ii) det minskar effekten av tillverknings osäkerheten i gitterperioden längs de primära riktningar 8.

Interferogram registrerades vid olika gitter-to-detektor avstånd, d, som täcker åtminstone fem Ve (d) toppar i varje tvärgående riktning som definieras i ekvation (1). Figur 3 visar den centrala delen av de uppmätta interferogram vid (a) d 1,0 ° = 83 mm och (b) d 4,0 </ sub> ° = 579 mm, vilket motsvarar de första och fjärde toppositioner längs θ = 0 ° riktning (p 0 ° = 3,4 | j, m). Vid dessa Talbot avstånd 2-D rutmönster replikeras (själv imaging). Samstämmig egenskapen hos röntgenstrålen är inbäddad i interferogrammet synlighet, som hämtas från den Fourier-analysen av varje inspelad bild.

Fouriertransformen av det uppmätta interferogrammet producerar harmoniska toppar som är representativa för den periodiska naturen av interferogrammet längs olika riktningar. Som ett exempel visar fig 3 (c) och (d) är de FT bilder av figurerna 3 (a) och (b), respektive, utförs av Fast Fourier Transform (FFT). Tack vare det centrala symmetri FT bild, fyra oberoende 1 st ordertoppar finns längs fyra riktningar, nämligen <em> θ = 0 °, 45 °, 90 ° och 135 °, såsom dessa definieras i figur 2 (b). Periodiciteten (p θ) i varje riktning kan bestämmas från toppläge i förhållande till den centrala 0 e ordningens topp. Ta Figur 3 (c) i form av ett exempel, den 1: a överton topp längs 0 ° riktning avslöjar en periodisk struktur med p 0 ° = 3,4 | im, som lätt kan identifieras som den line-typ struktur i figur 3 (a). Sikten är given av förhållandet mellan amplituden hos en a ordningen topp (A θ, 1) med den för den 0: te ordningens topp (A θ, 0), eller V θ = 2 A θ, 1 / A θ, 0 10. I praktiken erhölls synlighet följande protokoll steg från 5,5 till 5,7 med skörderutor som visas i Figures 3 (c) och (d). Tydligt intensiteten hos en a ordningen topp vid 0 ° är mycket mindre i figur 3 (d) än i figur 3 (c), vilket indikerar en försämrad sikt vid d = 579 mm. Detta framgår också i bristen på periodisk struktur längs 0 ° i Figur 3 (b).

Följande protokoll steg från 5,8 till 5,12, figur 3 (e) visar synlighet evolution som en funktion av d. Gauss montering på de utvalda data kring V θ (d) toppar ger σ 0 ° = 180 mm. Den horisontella koherenslängden är således ξ 0 ° = 3,6 | im följande ekvation (5).

Liknande den i fig 3, fig 4 presenterar resultat längs θ = 45 ° riktning. FTavbildar [jfr Figur 4 (c) och (d)] indikerar en period av p 45 ° = 2,4 | j, m. Därför V θ (d) toppar för 45 ° visas på kortare avstånd (d 1,45 ° = 43 mm och d 4,45 ° = 293 mm) i jämförelse med den för 0 °. På detta avstånd, för 45 °, de interferogram är ett nät-typ mönster [jämför fig 4 (a) och (b)]. Synligheten evolution som visas i figur 4 (e) finns koherenslängden ξ 45 ° = 5,0 | j, m. Genom att tillämpa samma procedur dataanalys till alla fyra tillgängliga riktningar, är den tvärgående samstämmighet område av röntgenstrålen mappas.

Figur 1
Figur 1. experimentuppställning. Skiss överstrålrör installationen vid ett-BM-B strålröret av APS. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 2
Figur 2. 2-D Checkerboard Galler. (A) SEM-bild av schackbrädet gitter med en period av 4,8 | j, m. (B) Galler orientering i tvärplanet vinkelrätt mot strålens fortplantningsriktning (pekar in i eller ut ur papperet). Siffrorna i rött indikerar θ. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3. Synlighet Meas urement längs 0 ° Riktning. interferogram registreras vid d en, 0 ° = 83 mm (a) och d 4,0 ° = 579 mm (b), som motsvarar den första och fjärde V 0 ° (d) toppositioner längs 0 ° riktning (ekvation (1) med p 0 ° = 3,4 | im), respektive. Deras Fourier omvandla bilder visas i (c) och (d), med den röda prickiga och gröna streckade regionerna anger 0: e och 1 st harmoniska bilder, respektive. (E) Synligheten evolution som en funktion av gittret-till-detektor avståndet, d. De blå cirklar är alla experimentella data, medan de röda kulorna är data som valts kring varje Talbot avstånd för Gauss kuvertet montering (röd streckad kurva).t = "_ blank"> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4. Sikt Mätning längs 45 ° riktning. Interferogram registreras vid d 1,45 ° = 43 mm (a) och d 4,45 ° = 293 mm (b), som motsvarar den första och fjärde V 45 ° (d) topp lägen längs 45 ° riktning (ekvation (1) med p 45 ° = 2,4 | im), med deras FT bilder som visas i (c) och (d), respektive. (E) Synligheten evolution som en funktion av d. Se figur 3 bildtext för mer information. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 5
Figur 5. Samstämmighet Kart. Samstämmighet område visualiseras med den uppmätta tvär samstämmighet längder längs fyra riktningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Figur 5 visar den beräknade tvärgående koherenslängden längs alla fyra riktningar. Uppenbarligen har den 90 ° riktning högre ξ θ jämfört med 0 ° riktning. Eftersom beamline optik har försumbar effekt på balken samstämmighet på gittret relativa läge, är den uppmätta samstämmighet området omvänt proportionell mot källstorleken området. De presenterade röntgenstråle samstämmighet mätteknik kartor detta noggrant som kan visas som en ellips med sin huvudaxel längs den vertikala riktningen (se Figur 5). Det är viktigt att notera att med ett väl karakteriserade galler endast interferogram vid självavbildnings avstånd eller några bilder runt självavbildnings avstånd behövs för att erhålla koherenslängden. En av begränsningarna med denna teknik är att tvär samstämmighet mätning vid en viss energi kräver ett galler optimerad för den energin.

den technique förlitar sig på en noggrann mätning av avståndet mellan gittret och detektorn, i synnerhet, när experimentet utförs med användning av gittret med mindre perioder och vid lägre energier, till exempel, vid 8 keV. Längs diagonalen av fyrkantiga block av schackbräde galler, effekter av gitterperioden obalans på synlighet kurvan är försumbara, och högre visibilities erhålls. Därför är valet av gitter orientering beror på de föredragna riktningarna längs vilken den tvärgående samstämmighet mätningen behöver utföras.

Jämfört med den teknik som beskrivs i referens 3, betyder det presenterade metoden inte behöver antagandet om vilken form som helst modell för att erhålla den CCF kurvan. En enda fasgitter användes i stället för en två-gitter interferometersystem 7 (inklusive en fasgitter och en amplitud gitter, varav tillverkningen är utmanande för hårda röntgentillämpningar). Användningen av en enda gitter möjliggör en snabbinstallation och anpassning samtidigt som samma konsekvens information två galler interferometer systemet. Går utöver det arbete som beskrivs i referenserna 4-6, den enda gitter interferometer kartor koherenslängden längs fyra olika riktningar samtidigt. Tekniken är också kapabel att lösa lokala variationer i samstämmigheten i stråles vågfront över ett litet område.

Den tvärgående samstämmighet informationen för den röntgenstråle som tillhandahålls av den teknik är mycket viktigt, inte bara för att utforma de experiment utan även som en priori-kunskap för dataanalysen. Som konsekvens ljusstyrka synkrotron och XFEL källor ökar kontinuerligt röntgenoptik behövs för att bevara denna källa samstämmighet måste utvärderas och den teknik som beskrivs här kan vara ett bra verktyg för att mäta tvär konsekvens av (lokal) stråles vågfront.

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