使用抗輻射聚合物制造的X射線折射光學(xué)元件（CRL）
Author：Josephine Gutekunst1, Joachim Schulz12, Arndt Last2
1 Microworks GmbH, Karlsruhe, Germany
2 KIT / IMT, Karlsruhe, Germany
Refraction
X射線折射 — 一項(xiàng)特殊的技術(shù)挑戰(zhàn)
與可見光不同，X 射線光子的短波長或高能量會(huì)導(dǎo)致與原子核附近的電子相互作用，而不是與原子之間的鍵合電子相互作用。由此可見，物質(zhì)的X射線光學(xué)性質(zhì)取決于物質(zhì)的分子式及其密度，并直接與原子序數(shù)Z相關(guān)。吸收率隨 Z3 增加，折射率隨 Z2 增加。這意味著 X 射線透鏡應(yīng)該只折射 X 射線而不吸收它們（如可見光波長范圍內(nèi)的玻璃），如果可能的話，應(yīng)該由原子序數(shù)較小的輕元素制成。
還應(yīng)注意，折射率和吸收率也取決于入射 X 射線的光子能量 E，折射率隨 E2 降低，吸收率隨 E3 降低。因此，對(duì)于高于其足夠透明的能量，X射線透鏡可以用于任意高的能量，但焦距也會(huì)變得更長。典型的技術(shù)相關(guān)能量介于 5 keV 和 100 keV 之間（波長0.25 nm 至 0.012 nm）。
折射率和吸收率由復(fù)折射率描述。對(duì)于 X 射線范圍描述為：
= 1 ? δ + β (1)
吸收系數(shù)為 β，折射指數(shù)減量 δ。它通常在 δ ≈ 10?8 … 10?5范圍內(nèi)，因此，X 射線中的折射率對(duì)于所有材料都略小于 1，與真空或空氣的折射率差別很小。這導(dǎo)致在界面處折射時(shí)角度偏轉(zhuǎn)非常小，因此單個(gè)透鏡的焦距非常大。因此，許多透鏡被排成一排，形成所謂的復(fù)合折射透鏡 (CRL)，以實(shí)現(xiàn)幾厘米范圍內(nèi)的焦距。
此外，由于所有材料的折射率都小于 1，聚焦 X 射線透鏡必須具有凹面（而可見光的聚焦透鏡具有凸面）。折射面是拋物線，以避免球面像差。
圖1. 復(fù)合折射透鏡 (CRL) 草圖
對(duì)于由 N 個(gè)具有相同曲率半徑 R 的單獨(dú)透鏡元件組成的 CRL 的焦距 f（見圖 1），大致適用以下公式：
f = R / 2δN (2)
除了焦距之外，還必須考慮吸收系數(shù) β ，其范圍通常在β≈ 10?9 … 10?7之間，非常適合制作 X 射線透鏡的材料是那些具有‘大’折射指數(shù)減量 δ 的材料, 從而具有高折射率和低吸收率 β，即具體交大的 δ/β 比，如圖 2。
圖2. 一些常見鏡片材料的折射率與吸收率的比率
吸收會(huì)限制 X 射線透鏡的有效孔徑，因?yàn)榇┻^透鏡的光路會(huì)隨著與光軸的距離而二次增加。為了實(shí)現(xiàn)具有更大孔徑的透鏡，可以使用菲涅爾透鏡或棱鏡透鏡。在這種情況下，CRL 的每個(gè)單透鏡元件都會(huì)減少僅對(duì)吸收有貢獻(xiàn)但不對(duì)折射有貢獻(xiàn)的部分（見圖 3）。
圖3. 菲涅爾 X 射線透鏡的原理。圖片根據(jù) [Sim 2010] 調(diào)整
a) CRL 的單透鏡元件。b)移除 CRL 的吸收部分，并將透鏡的剩余部分移到一起以形成 c)菲涅爾透鏡。d) 菲涅爾薄片被 e) 棱鏡結(jié)構(gòu)取代。
Overview
不同類型光學(xué)元件概述
現(xiàn)有 X 射線光學(xué)器件類型多種多樣，因此很難選擇最適合您應(yīng)用的一種。不過X 射線光學(xué)器件可根據(jù)所使用的主要物理效應(yīng)進(jìn)行分類：有基于鏡面光學(xué)器件、衍射光學(xué)器件、折射和吸收光學(xué)器件。為了便于概述，下面簡要比較了最重要的幾種光學(xué)器件，并給出了近似值：
Application
折射x射線透鏡（CRL）的應(yīng)用領(lǐng)域
應(yīng)用示例包括：材料科學(xué)中的復(fù)合材料分析、衍射法中的樣品照明、使用 Shack-Hartmann 傳感器進(jìn)行照明的光束分析以及用于生物學(xué)的全場(chǎng) X 射線顯微鏡的成像光學(xué)。X 射線管的應(yīng)用僅在特殊情況下存在。
CRL
X射線LIGA制造的聚合物X射線透鏡
自 20 世紀(jì) 90 年代中期以來，折射式 X 射線透鏡已經(jīng)得到發(fā)展。在介紹中，我們已經(jīng)解釋過，通常情況下，許多元件必須一個(gè)接一個(gè)地放置，而且這些元件必須非常小?，F(xiàn)代微結(jié)構(gòu)技術(shù)使這成為可能。
X 射線 LIGA 可以實(shí)現(xiàn)非常好的 1D CRL。2D CRL 是通過組合兩個(gè)以 90° 交叉的 1D 透鏡制成的。由此產(chǎn)生的透鏡形成與經(jīng)典 2D 透鏡相同的拋物面（見圖 4）。折射表面描述如下：
z（1D） = ax2 + w (3)
z（2D） = ax2 + by2 + w (4)
其中 w 是兩個(gè)透鏡表面之間最小距離的一半。
「READING」
我們利用 X 射線LIGA生產(chǎn)的聚合物CRL主要優(yōu)點(diǎn)：
圖5. 腔體中含有兩組CRL鏡
由于曲率半徑非常小，且每單位總長度 透鏡元件數(shù)量很多，因此具有很強(qiáng)的折射能力
工作距離短（可能只有幾厘米）
小的標(biāo)準(zhǔn)外殼（80 x 70 x 18 mm3）可容納多個(gè)平行 CRL；因此易于集成到實(shí)驗(yàn)中
易于操作和光束對(duì)準(zhǔn)，因?yàn)橛捎谥圃旒夹g(shù)，各個(gè)透鏡已經(jīng)完美排列
適用于約 6 keV 至 100 keV 以上的光子能量（每種情況下都是單色的）
工作距離可進(jìn)行非常精細(xì)的調(diào)整，因?yàn)閱瓮哥R元件的半徑 沿光軸以百分之幾的步長變化 [Mars 2016]
它們是成像光學(xué)元件 [Mars 2016]。
可以實(shí)現(xiàn)線聚焦或點(diǎn)聚焦或定向散光透鏡
光束方向沒有變化（與普通鏡面不同）
輻射穩(wěn)定 [Naz 2004]
對(duì)輻射偏振方向沒有影響（與 Be 和 Si-CRL 相比）[Marx 2022]
由于非晶態(tài)材料，沒有定向散射背景（與 Be、Si 和金剛石 CRL 相比）[Kry 2016]
吸收率低（與 Si、Al 或 Ni 相比），因此可以使用更大的孔徑
成本低（標(biāo)準(zhǔn) 2D 透鏡 1萬 歐元起）。
改進(jìn)空間：
與所有折射透鏡一樣，它們僅適用于準(zhǔn)單色輻射。
熱導(dǎo)率差（與鈹 CRL 相比），因此不能用于同步輻射源的白光束。
吸收率比鈹 CRL 高，但對(duì)于 >30keV 的能量，這種吸收率幾乎可以忽略不計(jì)。
★ 4.2 變焦鏡頭 — 用于微調(diào)焦距的小型變焦鏡
我們最新研發(fā)的是一款非常緊湊的電動(dòng)變焦鏡頭，可為用戶提供最大的靈活性 [Kor 2017-2019]。焦距可在水平和垂直方向上獨(dú)立調(diào)節(jié)。由于各個(gè)鏡頭的半徑僅相差幾個(gè)百分點(diǎn)，因此可以以準(zhǔn)連續(xù)的方式非常精確地調(diào)整焦距或工作距離?；蛘?，即使光子能量發(fā)生微小變化，也可以精確保持焦距。交付的程序會(huì)在短時(shí)間內(nèi)（<30 秒）計(jì)算并調(diào)整所需焦距的配置。
圖6. X 射線變焦鏡頭。外殼的邊長約為 10 cm。右側(cè)可以看到帶有微控制器和控制程序的整個(gè) X 射線變焦鏡頭系統(tǒng)。
X 射線棱鏡透鏡即使對(duì)于 1.8 x 1.8 mm2 的大孔徑也能實(shí)現(xiàn)非常高的透射率，非常適合用作照明光學(xué)元件，特別是用于全場(chǎng)顯微鏡中的樣品照明或高亮度同步加速器源的光束擴(kuò)寬 [Mark 2018]。它們由數(shù)千個(gè)彼此精確定位的小棱鏡組成。各個(gè)棱鏡的位置遵循穿過透鏡的光束路徑。為了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)聚焦透鏡，必須將兩個(gè)棱鏡透鏡以 90° 交叉組合，因此每個(gè)棱鏡的高度必須至少與得到的孔徑一樣高。由于每個(gè)棱鏡的邊長約為 20 μm，因此會(huì)產(chǎn)生非常高的縱橫比。為了穩(wěn)定棱鏡，在透鏡中引入了輔助平面（見圖 7）。
圖7. 1D XPL模型
XPL 的主要優(yōu)點(diǎn)：
大孔徑下的高透射率
非常適合樣品照明
非常適合高亮度同步加速器源的光束擴(kuò)展 [Mark 2018]
光束方向無變化
由聚合物 SU-8 制成的 XPL 的缺點(diǎn)：
必須針對(duì)每個(gè)客戶單獨(dú)重新設(shè)計(jì)和處理適當(dāng)?shù)?XPL。
支撐平面將吸收率提高幾個(gè)百分點(diǎn)。
利用 X 射線 LIGA，可以實(shí)現(xiàn)許多不同形狀的光學(xué)器件。這里我們只想展示一些 LIGA 制造的聚合物透鏡如何使用的例子。
在介紹中，我們展示了菲涅爾型透鏡的原理。在圖 8 中可以看到兩個(gè)由 LIGA 制造的 1D 菲涅爾透鏡，它們以 90° 交叉形成一個(gè)點(diǎn)聚焦透鏡。
圖8. 聚焦菲涅爾透鏡
CRL 陣列用于形成 Shack-Hartmann 傳感器類型的光學(xué)元件，從而生成多個(gè)點(diǎn)焦點(diǎn)的網(wǎng)格。圖 9 中可以看到一個(gè)示例。
圖9. 由 9x9 CRL 陣列組成的 Shack-Hartmann 傳感器
除了聚焦透鏡之外，光束整形光學(xué)元件也是可能被制造的，例如將入射高斯光束形成平頂光束（見圖10）。
Reviews
客戶反饋
Ⅰ
Y. Amemiya 教授，日本 JASRI 總裁
“SPring-8 的許多研究人員都使用你們?cè)?KARA 生產(chǎn)的 KIT/IMT 出色的 X 射線光學(xué)元件開展研究。在過去的幾十年里，SPring-8 研究人員使用 KIT 的 X 射線光學(xué)元件發(fā)表了 360 多篇論文。KARA 的深度 X 射線光刻技術(shù)對(duì)于 SPring-8 和 SACLA 的研究至關(guān)重要。”
Ⅱ
Jonathan Lang 博士，APS X射線科學(xué)部主任，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室
“KIT 的聚合物基透鏡在硬 X 射線能量（20 keV 及以上）下表現(xiàn)出近乎完美的無像差性能，焦距非常短，已被證明是獲得高分辨率空間圖像的理想選擇。KIT 聚合物透鏡的性能和易用性極大地促進(jìn)了 APS 暗場(chǎng) X 射線顯微鏡 (DFXM) 技術(shù)的快速發(fā)展。來自凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)和機(jī)械工程領(lǐng)域的 DFXM 用戶已從 KIT 透鏡的性能中受益?！?/p>
Ⅲ
Pawe? Korecki 教授，波蘭克拉科夫雅蓋隆大學(xué) SOLARIS 國家同步輻射中心成像和顯微鏡科主任
“我們?cè)?KIT 制造了折射多透鏡陣列光學(xué)器件。它們適合我們的需求，而且全世界沒有其他來源提供此類光學(xué)器件或其他合適的光學(xué)器件。光學(xué)器件的光學(xué)質(zhì)量非常出色。”
Ⅳ
Kawal Sawhney 博士，英國 Diamond Light Source Ltd 光學(xué)與計(jì)量學(xué)主管
“我們的光學(xué)組、診斷組和我們的幾條光束線使用 KIT 制造的一個(gè)或多個(gè)光學(xué)器件。我們的多項(xiàng)活動(dòng)極大地受益于各種光學(xué)器件，包括折射 X 射線透鏡、X 射線針孔和 X 射線光柵。這些光學(xué)元件品質(zhì)卓越，KIT/IMT 是其主要來源，甚至是唯一來源?！?/p>
References
參考文獻(xiàn)
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[Kor 2018] | E. Kornemann, O. Márkus, A. Opolka, K. Sawhney, A. Cecilia, M. Hurst,T. Baumbach, A. Last, J. Mohr, Optical Characterization of an X-ray Zoom Lens, Mi- crosc. Microanal. 24 (Suppl 2) (2018), doi:10.1017/S1431927618013685 |
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[Marx 2022] | B. Marx-Glowna, B. Grabiger, R. L?tzsch, I. Uschmann, A. Schmitt, K. Schulze, A. Last, Th. Roth, S. Antipov, H.-P. Schlenvoigt, I Sergueev, O. Leupold, R. Roehlsberger, G. Paulus, Scanning high-sensitive X-ray polarization microscopy, New Journal of Physics, (2022), doi: 10.5445/IR/1000148857 |
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[Sim 2010] | M. Simon,R?ntgenlinsen mit gro?er Apertur, PhD-Thesis, Karlsruher Institut für Technologie, Fakult?t für Maschinenbau (2010) |
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德國microworks 公司成立于2007年，是卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）微技術(shù)研究所（IMT）衍生的子公司，將X 射線和激光LIGA技術(shù)運(yùn)用到制作 X 射線光柵及其他精密微結(jié)構(gòu)。Microworks為X射線無損檢測(cè)（NDT）提供標(biāo)準(zhǔn)化和定制產(chǎn)品。在微納米技術(shù)領(lǐng)域，Microworks代表著高精度，其最高縱橫比和精度可以遠(yuǎn)低于 1 μm。其產(chǎn)品涵蓋相襯成像光柵及套件、高深寬比分辨率測(cè)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(jié)構(gòu)。
2024年10月，德國microworks 正式并入瑞士XRnanotech公司。XRnanotech是瑞士知名的Paul Scherrer Institute研究所10多年研發(fā)的結(jié)晶，于2020年成立，旨在將最新的突破性X射線光學(xué)創(chuàng)新引入市場(chǎng)。瑞士XRnanotech專注于研究納米結(jié)構(gòu)，開發(fā)和制造最具創(chuàng)新性的X射線光學(xué)器件，以實(shí)現(xiàn)最高分辨率、效率、穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)質(zhì)量。產(chǎn)品線包括：菲涅耳波帶片、納米級(jí)光柵、金剛石光學(xué)器件、納米分辨率測(cè)試卡、3D分辨率測(cè)試卡等。XRnanotech 制造的菲涅耳波帶片分辨率可低至<10nm，憑借獨(dú)特的 Ir-線倍增技術(shù)，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(jì)錄保持者。
雙方攜手將為全球客戶帶來從微米到納米尺度的全方位解決方案。北京眾星聯(lián)恒科技有限公司作為 XRnanotech及Microworks 的中國區(qū)全權(quán)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(wù)，歡迎聯(lián)系我們。
