#GINIX – das #Göttingen Instrument for #Nano-#Imaging with #Xrays
ist unser¹ #Röntgen-#Mikroskop am Hamburger #Synchrotron PETRA III beim @DESY.
Seit 2011 fahren wir meistens zwei Mal im Jahr für jeweils einige Wochen zum Experiment, um (i) grundlegende Experimente zu wagen, (ii) die Bildgebungsmethoden zu verbessern und erweitern sowie (iii) hochauflösende Daten für unsere Kollaborationspartner zu gewinnen.
¹Arbeitsgruppe Prof. Tim Salditt,
https://www.uni-goettingen.de/saldittlab
#howto #Fokus your #Röntgen-Strahl, ein Mehrteiler:
Ein Vorteil von Röntgenlicht gegenüber sichtbarem #Licht: die Probe kann durchleuchtet werden, wir erhalten einen Blick ins Innere.
Ein Nachteil von Röntgenlicht: auch die Optiken werden einfach so durchdrungen; das Fokussieren / Manipulieren der Strahlung ist ein größeres Problem.
Bereits Wilhelm Conrad stellte fest, dass er seine X-Strahlen nicht ablenken oder fokussieren konnte. Es dauert etwa 60 Jahre …
1948 veröffentlichten¹ Paul #Kirkpatrick und Albert #Baez² ein bahnbrechendes Experiment, indem sie gekrümmte Spiegel unter sehr flachem Einfallswinkel nutzten; jeder Spiegel fokussiert in einer Raumrichtung; stellt man zwei hintereinander, sodass die Brennebenen übereinstimmen, gibt es einen Punktfokus.
¹ https://doi.org/10.1364%2FJOSA.38.000766
² Vater von Joan Baez, die mit ihrer Musik seine Forschung mitfinanzierte.
2/N
Several conceivable methods for the formation of optical images by x-rays are considered, and a method employing concave mirrors is adopted as the most promising. A concave spherical mirror receiving radiation at grazing incidence (a necessary arrangement with x-rays) images a point into a line in accordance with a focal length f=Ri/2 where R is the radius of curvature and i the grazing angle. The image is subject to an aberration such that a ray reflected at the periphery of the mirror misses the focal point of central rays by a distance given approximately by S=1.5Mr2/R, where M is the magnification of the image and r is the radius of the mirror face. The theoretically possible resolving power is such as to resolve point objects separated by about 70A, a limit which is independent of the wave-length used. Point images of points and therefore extended images of extended objects may be produced by causing the radiation to reflect from two concave mirrors in series. Sample results are presented.
Für diese sogenannten KB-Spiegel gibt es eine technische und eine physikalische Schwierigkeit:
1. Unter streifendem Einfall muss die Oberfläche sehr glatt sein. Dies wurde vor etwa 20 Jahren gelöst: Die Gruppe um Kazuto #Yamauchi entwickelte das „#EEM“-Verfahren (Elastic Emission Machining), welches eine Oberflächengüte deutlich unter einem #Nanometer Formfehler über eine Länge von dutzenden Zentimetern erlaubt, und dabei auch eine gekrümmter Oberfläche produziert.
3/N
2. Um die Röntgenstrahlen zu reflektieren ist ein sehr flacher Einfallswinkel, typisch etwa 0,2 Grad zur Oberfläche, erforderlich; anderenfalls dringt der Strahl in den Spiegel ein und wird dort absorbiert. Dies liegt daran, dass der Brechungsindex, n=1-δ ~ 1-10⁻⁶, nur sehr leicht unter 1 liegt – und #Totalreflexion für entsprechend kleine Winkel erlaubt.
Dies begrenz aber den nutzbaren Winkelbereich, die numerische Apertur #NA, somit die optische #Auflösung.
4/N
Experimente bei einer #Photonen-Energie von 12,4 keV liegt die #Wellenlänge bei 0,1 Nanometer, oder 1 Ångström – über tausend Mal kürzer als blaues Licht. Doch während es im sichtbaren Bereich #Linsen und #Objektive mit einer #NA von >1 gibt, sind wir durch die Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit Materie auf Werte um 0,001 beschränkt – somit liegt die #Auflösung wieder im Bereich 100 nm.
5/N
Wie groß wird der #Fokus wirklich?
Hier kommt es auf die Quelle an. Eine traditionelle #Röntgenröhre hat einen #Quellfleck im mm-Bereich, welcher vielleicht 1:1 abgebildet wird. Eine #Mikrofokusquelle liegt bei etwa 10–100 µm, moderne Quellen im sub-µm-Bereich.
Auch am #Synchrotron ist die Quelle ca. 10 µm groß – aber in vielleicht 100 Metern Entfernung. Bei einer #Brennweite von 100 Millimetern ist somit eine geometrische Verkleinerung möglich, Fokusgrößen bei 100 nm sind gut erreichbar.
6/N
Da die beiden Spiegel hintereinander stehen müssen, ist die Brennweite des ersten Spiegels durch die bauliche Größe des zweiten Spiegels limitiert; die Spiegel sollten aber „hinreichend“ lang sein, um (i) die numerische Apertur und die (ii) geometrische Akzeptanz (Fläche) zu erhöhen.
„Typische“ Werte (die wir an der #GINIX verwenden):
Wellenlänge ca. 0,1 Nanometer,
Brennweite 305 mm, 200 mm,
mittlerer Einfallswinkel 4 mrad (0,23°),
Spiegellänge 80 mm,
Apertur (320µm)²,
Fokusgröße (300nm)²
7/N
Die Spiegel bestehen aus Glas (fused silica), wurden in Japan auf eine elliptische Form geschliffen und anschließend mit Rhodium beschichtet; dies erhöht den nutzbaren Winkel der Totalreflexion auf etwa 5 mrad.
Ursprünglich hatten wir eine Palladium-Beschichtung; hier nimmt die Reflektivität aber bei unserer höheren Photonenenergie zum Rand stark ab. Im Rahmen eines Synchrotron-Upgrades mit 1,5 Jahren Dunkelheit wurden die Spiegel neu geschliffen und beschichtet.
8/N
Markus Osterhoff