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(jié)構(gòu)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(jī)械保護(hù)。測試結(jié)構(gòu)可以被放置在 X 射線光學(xué)裝置的光路中，用于驗證光學(xué)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。

多功能X射線光束測試卡的鋁框架外部尺寸為10x10 x10mm，側(cè)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射線光束測試卡包括 23 個方形孔（紅色方框A內(nèi)）以及左上角的兩個矩形狹縫結(jié)構(gòu)（紅色方框B內(nèi)）（見下圖 2）。方形孔（紅色方框A內(nèi)）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(nèi)，如果移除了鈦膜，可見光可以穿過膜。這為調(diào)整測試卡提供了便利（見下文）。

圖 2. 測試卡圖案中紅色標(biāo)記A內(nèi)方形孔 的尺寸（單位：mm）以及紅色標(biāo)記B內(nèi)矩形圖案的位置。

該測試卡中還包括標(biāo)記在金層中的數(shù)字（字母高度 1mm，線寬 125μm ），這些數(shù)字便于定位測試結(jié)構(gòu)（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(wǎng)格排列，從每個方形孔的中心測量。

圖 3. 測試圖案中數(shù)字的位置（數(shù)字 #33 出現(xiàn)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）

測試卡的框架應(yīng)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(yīng)能提供圍繞 X 射線光束軸的旋轉(zhuǎn)（最小步長：0.03°）功能，并提供兩個垂直于光束的傾斜調(diào)節(jié)軸（最小步長：0.1°）。此外，平臺還應(yīng)具有光束垂直方向的移動功能（最小步長應(yīng)適合“刀邊”測量）。

通過 CCD 相機(jī)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(jī)像素大小卷積的結(jié)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(qiáng)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(dāng)邊緣穿過光束時，其后方的強(qiáng)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(jìn)行此處描述的測量。測試結(jié)構(gòu)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(zhǔn)激光光束通過該箔，對于使用激光定位此結(jié)構(gòu)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(qū)動器達(dá)到至少 100 納米的 x 和 y 方向步進(jìn)分辨率，并使用步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)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(zhǔn)激光束垂直對齊。這可以通過觀察從測試結(jié)構(gòu)金吸收器反射的激光束來完成。當(dāng)成功對齊后，例如在測試結(jié)構(gòu)后方放置一個xPIN.X射線探測器。確保沒有光束繞過測試結(jié)構(gòu)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(dāng)?shù)度薪Y(jié)構(gòu)例如沿 x 方向移動時，當(dāng)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(qiáng)度到最小強(qiáng)度的下降。被分析的 X 射線光束的強(qiáng)度分布與測量的強(qiáng)度曲線的一階導(dǎo)數(shù)成正比。通過將刀刃結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fù)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(jìn)行變化。沿 z 軸進(jìn)行一系列測量時，逐步減少 z 步長。邊緣對應(yīng)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(xiàn)在不同的 z 位置。

圖 8. 使用 X 射線光束（藍(lán)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(qiáng)度信號 j(x)j(x) 及其導(dǎo)數(shù) 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(yīng)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(xué)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(dāng)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(nèi)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(dǎo)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(nèi)，光束的衰減從最小水平變化到對應(yīng)于 30 微米金吸收的最大水平。這導(dǎo)致焦點光斑的橫向尺寸顯得更大。

在數(shù)學(xué)描述中，刀刃后方的強(qiáng)度是刀刃平面內(nèi)強(qiáng)度分布與傾斜金邊緣透射函數(shù)的卷積。為了最小化這種影響，必須盡可能將刀刃的平面調(diào)整為垂直于光軸。

如果需要精確測量焦點尺寸，應(yīng)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(fù)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。

通過 CCD 攝像機(jī)測量的焦點尺寸可能無法反映真實的線寬，因為攝像機(jī)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(diào)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(fù)測量，并多次調(diào)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(lán)色）和位于 X 射線透鏡焦平面的測試卡進(jìn)行“刀邊”測量的示意圖

測試結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)需要調(diào)整為垂直于 X 射線束?？梢酝ㄟ^以下方法進(jìn)行調(diào)整：

• 使用可見激光束從測試結(jié)構(gòu)金屬表面的反射來調(diào)整，使其背反射對齊。

• 或者通過使用 X 射線探測器進(jìn)行透射測量來調(diào)整，當(dāng)測試結(jié)構(gòu)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(diào)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(xué)系統(tǒng)成像到探測器上。通過將成像質(zhì)量與測試結(jié)構(gòu)中已知的方形孔尺寸進(jìn)行比較，可以評估 X 射線光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量。

需要注意的是，由于衍射效應(yīng)的存在，這種測試方法不會得到非常精確的結(jié)果。

測試卡中的矩形方孔（圖 2 中標(biāo)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(jié)構(gòu)后放置的探測器上不會出現(xiàn)干涉圖案。

• 強(qiáng)相干光束：對于具有強(qiáng)相干性的 X 射線光束，即使是較大間距的雙縫結(jié)構(gòu)，也會在探測器上生成干涉圖案。

在計算這些效應(yīng)時，需要考慮光通過狹縫進(jìn)入 30 微米厚金膜的“通道”后，可能會在通道側(cè)壁上發(fā)生反射。根據(jù)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(xì)節(jié)。

來自澳大利亞的研究團(tuán)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(jìn)行雙縫干涉實驗。實驗在同步加速器源上進(jìn)行，干涉儀與探測器之間的距離為 110 m，產(chǎn)生的干涉圖案具有足夠?qū)挼闹芷?，可被具?75 微米像素的光子計數(shù)、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(zhǔn)的光子。這些幀的總和顯示了具有預(yù)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(jù) Rose 標(biāo)準(zhǔn)確定光子干涉存在所需的最少檢測光子數(shù)。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(shù)模式下進(jìn)行醫(yī)學(xué) 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(lián)系我們。

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（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)。

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