The Devil is in the Details-多功能X射線光束測試卡的結構及使用方法
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引言
在探索微觀世界的奧秘中，X射線以其獨特的穿透力成為了科學家手中不可或缺的“探針”。在之前的文章我們介紹了各種調制X射線強度、相位及方向的方式，如下：
不同的X射線光學組件，由于采用的作用機理不同，所以適用于不同的應用場景。在過去我們著重介紹了在衍射的X光聚焦元件i和基于折射原理的X光聚焦元件ii。
i.詳見文章: <X射線多層膜在靜態(tài)和超快X射線衍射中的應用>
ii.詳見文章: <使用抗輻射聚合物制造的X射線折射光學元件（CRL）>
然而，如何精準地測量和評估X射線光束的性能，以確保其在科研和工業(yè)應用中的準確性和可靠性，一直是科學家們關注的焦點。
今天，我們將帶您深入了解一款超級易用、高性價比的多功能X射線光束測試卡，Microworks的多功能X射線光束測試卡是一種集多種測試功能于一體的精密工具，其結構巧妙地將鈦膜的透明性與金層的不透性相結合，通過精密加工的方形孔和矩形狹縫結構，實現了對X射線光束的多維度測試。它不僅能夠幫助科研人員準確測量X射線光束的點、線聚焦尺寸（“刀刃/邊”法），還能進行成像質量的測試以及光束相干性的評估，從而為X射線光學系統(tǒng)的優(yōu)化與改進提供了有力的數據支持。
多功能X射線光束測試卡的功能原理
由德國Microworks公司（母公司XRnanotech）提供的多功能X射線光束測試卡由在 2.4 微米厚的鈦膜上面覆蓋約 30±5 微米厚的結構化金層組成。鈦膜對 X 射線幾乎透明，而覆蓋金的區(qū)域是X射線不透的。膜被固定在一個鋁框架上，以保持平整并提供機械保護。測試結構可以被放置在 X 射線光學裝置的光路中，用于驗證光學元件的狀態(tài)（見下文）。
如果客戶需要，可以去除一部分鈦膜。在這種情況下，剩余金膜中的孔對可見光（例如激光束）是透明的。
外部尺寸
多功能X射線光束測試卡的鋁框架外部尺寸為10x10 x10mm，側壁厚度為1mm (見下圖 1) ，重量約為1g。
圖1. 多功能X射線光束測試卡實物圖
多功能X射線光束測試卡的幾何形狀
多功能X射線光束測試卡包括 23 個方形孔（紅色方框A內）以及左上角的兩個矩形狹縫結構（紅色方框B內）（見下圖 2）。方形孔（紅色方框A內）的邊長分別為：5, 8, 10, 12, 15, 20, 35, 37, 49, 60, 68, 81, 105, 129, 157, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 750, 1000 (μm)。在 1 毫米方形孔區(qū)域內，如果移除了鈦膜，可見光可以穿過膜。這為調整測試卡提供了便利（見下文）。
圖 2. 測試卡圖案中紅色標記A內方形孔 的尺寸（單位：mm）以及紅色標記B內矩形圖案的位置。
該測試卡中還包括標記在金層中的數字（字母高度 1mm，線寬 125μm ），這些數字便于定位測試結構（見下圖 3）。測試圖案的相對位置如圖 4 所示，方形孔按 1.15 毫米網格排列，從每個方形孔的中心測量。
圖 3. 測試圖案中數字的位置（數字 #33 出現了兩次）
圖 4. 測試圖案的相對位置（單位：毫米）
圖 5、圖 6 和圖 7 顯示了矩形孔的兩種圖案及其相對位置。每個矩形狹縫（B）的尺寸為 100 微米 x 5 微米。矩形狹縫中心的間距為：6, 10, 12.5, 15, 17.5, 20, 30, 40, 50, 66, 80, 100和 125(μm)。圖中所有尺寸的公差為 ±1 μm。
圖 5. 矩形孔圖案的相對位置（單位：毫米）
圖 6. 矩形狹縫的距離（單位：毫米），從矩形外邊緣測量
圖 7. 測試圖案中矩形狹縫的距離（單位：毫米）
測試卡的安裝
測試卡的框架應通過輕輕夾緊固定在一個平臺上。在測試線聚焦X射線光斑尺寸時，該平臺應能提供圍繞 X 射線光束軸的旋轉（最小步長：0.03°）功能，并提供兩個垂直于光束的傾斜調節(jié)軸（最小步長：0.1°）。此外，平臺還應具有光束垂直方向的移動功能（最小步長應適合“刀邊”測量）。
點聚焦X射線光斑尺寸的測量（“刀邊”法）
通過 CCD 相機確定的焦點大小是實際光斑大小與閃爍晶體分辨率和攝像機像素大小卷積的結果。因此，測得的光斑大小會大于實際大小。
如果需要確定點聚焦的真實 x 和 y 方向尺寸，我們建議使用“刀刃”法。該方法通過一塊強吸收材料的銳邊垂直通過被測光束來測量。如果該邊緣位于光束的焦平面，當邊緣穿過光束時，其后方的強度會相對快速地變化。
我們的多功能X射線光束測試卡可用于此測量（見圖1）。使用一個大方形孔進行此處描述的測量。測試結構包含固定在框架中的鈦箔，上面帶有沿 x 和 y 方向的金吸收邊緣。在金邊相交處，鈦膜上有一個孔（如果訂購），允許校準激光光束通過該箔，對于使用激光定位此結構非常有用。
將刀刃測試卡安裝在一個帶電動 x、y 和 z 軸的平移臺上（例如，使用壓電驅動器達到至少 100 納米的 x 和 y 方向步進分辨率，并使用步進電機實現幾個微米的 z 方向步長）?？梢詫嶋H測量的最小橫向光束尺寸約為 x 和 y 步長的三倍。將測試卡放置在焦點的 z 位置附近，并使其與校準激光束垂直對齊。這可以通過觀察從測試結構金吸收器反射的激光束來完成。當成功對齊后，例如在測試結構后方放置一個xPIN.X射線探測器。確保沒有光束繞過測試結構框架直射探測器；如有這種情況，添加一個額外的孔徑以阻擋框架外通過的光束。
當刀刃結構例如沿 x 方向移動時，當光束撞擊到吸收金箔時，它將阻擋 X 射線光束（見圖 8）。探測器將記錄從最大強度到最小強度的下降。被分析的 X 射線光束的強度分布與測量的強度曲線的一階導數成正比。通過將刀刃結構沿 y 方向移動，可以以相同的方式測量焦點的 y 方向尺寸。
由于無法確保測試結構在首次嘗試中位于焦平面，因此必須針對不同的 z 位置重復測量。一個好的選擇是，將刀刃的 z 位置以約占 X 射線透鏡理論焦距 1% 的步長在焦平面理論 z 位置的周圍進行變化。沿 z 軸進行一系列測量時，逐步減少 z 步長。邊緣對應最小光束直徑的 z 位置即為焦平面的位置。
對于散光透鏡，由于 x 和 y 方向的焦距不同，刀刃的最小光束直徑（分別在 x 和 y 方向）可能出現在不同的 z 位置。
圖 8. 使用 X 射線光束（藍色）在刀刃平面聚焦以及測試卡的“刀邊”測量示意圖
圖 9. 通過“刀邊”測量獲得的強度信號 j(x)j(x) 及其導數 i(x)i(x) 的圖示
圖 10. 30微米厚金箔在不同能量X光下的吸收圖示
這里值得注意的是金吸收層的厚度應該超過焦點光斑的直徑。因此，如果金吸收層的平面未與光學軸垂直，則 X 射線光束所觀察到的吸收對比度會降低（見圖11）。當傾斜的金邊緣垂直于光軸移動到光束中時，金邊緣的厚度在距離 x=d?sinα范圍內發(fā)生變化。對于厚度為 30 微米的金層和例如 1° 的傾斜角，這將導致 x≈520 nm 的距離變化，該值接近待測焦點光斑直徑的范圍。在這個距離 x內，光束的衰減從最小水平變化到對應于 30 微米金吸收的最大水平。這導致焦點光斑的橫向尺寸顯得更大。
在數學描述中，刀刃后方的強度是刀刃平面內強度分布與傾斜金邊緣透射函數的卷積。為了最小化這種影響，必須盡可能將刀刃的平面調整為垂直于光軸。
如果需要精確測量焦點尺寸，應按照上述方法確定焦點的 z 位置。然后，將金邊緣以約 0.1° 的小角度傾斜。完成此步驟后，重復焦點尺寸的測量，直到找到最小值。此最小值是實際焦點尺寸的最佳近似值。
圖 11. 刀邊測試中金吸收器的放射成像，左圖：吸收器垂直于光束時的情況。右圖：傾斜刀刃的情況。
點聚焦X射線光斑尺寸的測量（“刀邊”法）
通過 CCD 攝像機測量的焦點尺寸可能無法反映真實的線寬，因為攝像機的分辨率不足以解析真實的線寬。
如果想要確定線聚焦的真實寬度，建議使用上一章節(jié)描述的“刀邊”法測量點聚焦尺寸，請按照上一章節(jié)中的主要步驟操作。
針對線聚焦的測量，這里需要注意的不同點如下：
★ 刀刃與線聚焦的平行性：
如果刀刃未與待測線聚焦平行，測量得到的線寬將大于真實值。因此，需要確保刀刃的位置已調整為與線聚焦平行。
最好的方法是將刀刃稍微傾斜（例如 3°），重復測量，并多次調整，直到確定最小值。
★ 圖示變化：
在線聚焦測量的情況下，原來的圖 8 更改為圖 12。
圖 12. 使用 X 射線焦點（藍色）和位于 X 射線透鏡焦平面的測試卡進行“刀邊”測量的示意圖
使用微測試結構進行成像測試
測試結構也可以作為X射線成像測試中的測試孔徑使用。在這種情況下，測試結構需要調整為垂直于 X 射線束?？梢酝ㄟ^以下方法進行調整：
使用可見激光束從測試結構金屬表面的反射來調整，使其背反射對齊。
或者通過使用 X 射線探測器進行透射測量來調整，當測試結構的膜垂直于 X 射線束時，膜中最小的方孔會在探測器上顯示為最亮的區(qū)域。
調整完成后，用 X 射線照射測試卡。膜中的較小方形孔將通過被測 X 射線光學系統(tǒng)成像到探測器上。通過將成像質量與測試結構中已知的方形孔尺寸進行比較，可以評估 X 射線光學系統(tǒng)的質量。
需要注意的是，由于衍射效應的存在，這種測試方法不會得到非常精確的結果。
使用狹縫結構進行光束相干性測試
測試卡中的矩形方孔（圖 2 中標記為“B”）可以用來評估入射 X 射線光束的相干性，類似于楊氏實驗。
* 詳見：楊氏雙縫實驗 https://en.wikipedia.org/wiki/Double-slit_experiment
非相干光束：如果 X 射線光束是非相干的，則在測試結構后放置的探測器上不會出現干涉圖案。
強相干光束：對于具有強相干性的 X 射線光束，即使是較大間距的雙縫結構，也會在探測器上生成干涉圖案。
在計算這些效應時，需要考慮光通過狹縫進入 30 微米厚金膜的“通道”后，可能會在通道側壁上發(fā)生反射。根據光子能量的不同，這種反射可能會顯著影響干涉圖案。此測試能夠幫助評估 X 射線束的相干性，并揭示光束特性的細節(jié)。
拓展閱讀
來自澳大利亞的研究團對在同步輻射開展了在X光波段的楊氏雙縫實驗。該為名為：“Young’s double-slit interference with single hard X-ray photons”于2024年4月發(fā)表于“Optics Express”。
此文章介紹了使用能量為 25 keV 的單色硬 X 射線進行雙縫干涉實驗。實驗在同步加速器源上進行，干涉儀與探測器之間的距離為 110 m，產生的干涉圖案具有足夠寬的周期，可被具有 75 微米像素的光子計數、像素化X射線探測器充分采樣。在單粒子版本的實驗中，收集了超過一百萬個圖像幀，每個圖像幀中都有一個配準的光子。這些幀的總和顯示了具有預期周期的干涉圖案的清晰存在。后續(xù)分析客觀估計了根據 Rose 標準確定光子干涉存在所需的最少檢測光子數。除了一般的理論興趣外，這些研究還旨在探索在最小輻射劑量下在光子計數模式下進行醫(yī)學 X 射線相襯成像的可能性。
如果您對上述測試卡及測試方法感興趣或者有疑問，歡迎通過留言、微信和電話等多種方式聯系我們。
ABOUT
德國microworks 公司成立于2007年，是卡爾斯魯厄理工學院（KIT）微技術研究所（IMT）衍生的子公司，將X 射線和激光LIGA技術運用到制作 X 射線光柵及其他精密微結構。Microworks為X射線無損檢測（NDT）提供標準化和定制產品。在微納米技術領域，Microworks代表著高精度，其最高縱橫比和精度可以遠低于 1 μm。其產品涵蓋相襯成像光柵及套件、高深寬比分辨率測試卡、針孔、CRL鏡、beamstop，及微齒輪、雙曲型電板、精密篩、近紅外濾波器（選頻濾波器）等微結構。
瑞士XRnanotech是瑞士知名的Paul Scherrer Institute研究所10多年研發(fā)的結晶，于2020年成立，旨在將最新的突破性X射線光學創(chuàng)新引入市場。瑞士XRnanotech專注于研究納米結構，開發(fā)和制造最具創(chuàng)新性的X射線光學器件，以實現最高分辨率、效率、穩(wěn)定性和設計質量。產品線包括：菲涅耳波帶片、納米級光柵、金剛石光學器件、納米分辨率測試卡、3D分辨率測試卡等。XRnanotech 制造的菲涅耳波帶片分辨率可低至<10nm，憑借獨特的 Ir-線倍增技術，可以獲得精確到 5nm 的 X 射線束聚焦，這使得 XRnanotech 成為 X 射線透鏡世界紀錄保持者。
北京眾星聯恒科技有限公司作為 Microworks 公司和XRnanotech公司的中國區(qū)全權總代理商，為中國用戶提供所有的售前咨詢，銷售及售后服務，歡迎聯系我們。
內容 凱文
編輯 小喬
