Hard x-ray microanalysis with parabolic refractive lenses

Kuhlmann, Marion; Lengeler, Bruno

doi:25893

Hard x-ray microanalysis with parabolic refractive lenses

Kuhlmann, Marion

2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marion Kuhlmann

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

Umfang83, 2, [11] S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Lengeler, Bruno (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-08-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-9933
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59698/files/Kuhlmann_Marion.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Harte Röntgenstrahlung (Genormte SW) ; Mikroanalyse (Genormte SW) ; Röntgenlinse (Genormte SW) ; Beryllium (Genormte SW) ; Physik (frei) ; X-Ray Oprics (frei) ; Microanalysis (frei) ; Tomography (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Seit ihrer Entdeckung 1895 durch Wilhelm Conrad Röntgen ist Röntgenstrahlung für analytische Methoden verwendet worden. Am bekanntesten ist die Abbildung mit Röntgenstrahlung als nicht zerstörerische medizinische Untersuchungsmethode, die Materie durchdringen kann. Harte Röntgenstrahlung liegt im Energiebereich von ungefähr 1 keV bis 200 keV. Dieser Energiebereich ermöglicht die Analyse von Fluoreszenzstrahlung und die Absorptions-spektroskopie von kompakten Proben. In Form der Kristallographie erlaubt harte Röntgen-strahlung den Einblick in die innere Struktur von Materie. Allerdings sind viele Proben heterogener Natur und eine Analyse benötigt höchste räumliche Auflösung. Eine Fokussierung der Röntgenstrahlung ist hierfür notwendig. Bisher angewendete Optiken werden jedoch für Röntgenstrahlung höherer Energien immer ineffizienter. Es werden Ergebnisse von Mikroanalyse mit refraktiven Linsen vorgestellt. Selbstverständlich im Bereich des sichtbaren Lichtes sind refraktive Linsen für Röntgenstrahlen schwer zu realisieren, da sie nur eine schwache Brechung bei gleichzeitig hoher Absoption in Materie erfahren. Erstmals verwendet werden konnten refraktive Röntgenlinsen 1996 durch Snigirev et al. mit Hilfe von Synchrotronstrahlung höchster Brillianz. Durch die vergleichbaren Radien von Apertur und Form wiesen diese Linsen jedoch starke sphärische Aberration auf. In Aachen wurden daher einzelne Aluminium Linsen mit parabolischer Form entwickelt. Die schwache Brechung einer Einzellinse wird durch eine Aneinanderreihung vieler Linsen kompensiert. Drei Entwicklungen mit parabolischen refraktiven Linsen stehen hier im Mittelpunkt: der Einsatz von parabolischen Beryllium Linsen in der Mikroanalytik, die Implementierung von XANES Mikrotomographie und die Umsetzung eines Konzepts zum Erreichen von Nanofoki. Es werden parabolische refraktive Röntgenlinsen aus Beryllium vorgestellt. Die schwache Absorption von Röntgenstrahlen in Beryllium hat zu Verbessungen abbildender und fokussierender Analyse-verfahren beigetragen. In der Röntgenmikroskopie konnte eine Auflösung von 140 nm nachgewiesen werden. Das größere Gesichtsfeld und die Steigerung der Transmission der Röntgenlinsen zeigten sich insbesondere bei tomographischen Verfahren. Optimale Ergebnisse erzielen die Linsen mit Energien im Bereich von 5 keV bis 40 keV. Die gesteigerte Transmission der Linsen war notwendig um XANES Mikotomographie umsetzen zu können. Hierbei wird die elementspezifische Absorptionskantenanalyse mit einem tomographischen Modus kombiniert. Desweiteren sprechen die Größenordnungen zu untersuchender biologischer Proben und die ständig kleiner werdenden Strukturen in der Halbleitertechnologie für die Notwendigkeit von Nanofoki. Um diese an typischen Synchrotronstrahlungsquellen zu ermöglichen werden refraktive Linsen mit Brennweiten von wenigen Millimetern benötigt. Dieses Konzept konnte mit Silizium umgesetzt werden, in das parabolische refraktive Linsenformen mit Linsenradien von 0,002 mm geätzt wurden. Mit dieser Art refraktiver Linsen ist ein Fokus von 100 nm bereits umsetzbar, weite Entwicklungen versprechen Auflösungen kleiner 50 nm. Eine Vielzahl von spektroskopischen Methoden für viele wissenschaftliche Bereiche haben von der aktuellen Entwicklung parabolischer refraktiver Röntgenlinsen profitiert. Der Einsatz von parabolischen refraktiven Röntgenlinsen aus Beryllium ist an Synchrotronstrahlungsquellen der 3. Generation etabliert worden.

Since their discovery by Wilhelm Conrad Röntgen in 1895 X-rays have been used in analytical applications. Most common, X-rays are known as medical diagnostic tools due to their ability to non-destructively pass through matter which cannot be penetrated by visible light. Hard X-rays cover the energy range from about 1 keV to 200 keV. In this energy region fluorescence radiation and absorption spectroscopy of bulk samples is possible. Likewise, hard X-ray crystallography gives information of the inner structure of materials. As powerful as these analytical methods are, many applications need a focused X-ray beam. Especially, heterogeneous samples and complex structures benefit from the higher spatial resolution of a micro focused beam. However most optics become less efficient with higher X-ray energies. This thesis follows the development of microanalysis in the hard X-ray range based on parabolic refractive lenses. Obviously, refractive lenses for visible light are most successful. But the weak refraction and strong absorption of hard X-rays in matter make the realization of refractive lenses difficult. Highly brilliant X-ray sources and advanced instrumentation are the foundation for the first experiment, which used refractive X-ray lenses, by Snigirev et al. in 1996. The aperture of refractive lenses for hard X-rays is comparable to their radius of curvature. Therefore, spherical refractive lenses suffer from aberration and are not appropriate for microscopy and other imaging applications. Parabolic refractive hard X-ray lenses have solved this problem. A full field hard X-ray microscope which used a stack of parabolic refractive aluminium lenses was first implemented in Aachen. Three topics in the development of parabolic refractive lenses are introduced in this thesis: the use of beryllium parabolic refractive lenses in hard X-ray microanalytic is demonstrated, XANES microtomography has been implemented, and a concept for nanofocusing with parabolic refractive lenses has been developed. To improve the imaging application of refractive lenses and to enhance the energy range parabolic beryllium lenses were manufactured. Beryllium as lens material improves the transmission of the refractive lenses and increases the field of view. This is favorable for microfocusing, and helps to improve microtomography. Beryllium lenses are optimal for energies between 5 keV and 40 keV. With a full field microscope a lateral resolution of 140 nm has been achieved. The enhanced transmission of beryllium lenses as well as the flexibility and the straight optical path of parabolic refractive lenses were helpful in the implementation of XANES microtomography. This combination of near edge absorption spectroscopy with two dimensional scanning microscopy allows to examine the chemical state and the local environment of a given atomic species in a virtual slice through a sample without really cutting it. The demand for X-ray microprobes with still smaller spot size is growing. For this reason nanofocusing refractive lenses have been designed in Aachen, whose radius of curvature are 0.002 mm. A prototype of silicon is presented, which was able to achieve a resolution below 100nm, further improvements promise a resolution of even below 50nm. In summary, parabolic refractive X-ray lenses have greatly improved our capability to combine imaging techniques with spectroscopies, as more and more required in many fields of science and technology. Berylluim lenses are commonly used at 3. generation synchrotron facilities, now.

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