High-energy X-ray Transmission Microscopy based on Compound Refractive Lenses
Abstract
Summary of thesis:
In the results of the work presented in this thesis it has been shown theoretically and demonstrated experimentally that lateral chromatic aberration in hard x-ray transmission microscopy can be significantly reduced by focusing the illumination into the center of the objective lens. Utilizing pink beam microscopy, radiography with spatial resolutions better than 200 nm could be achieved at millisecond frame rates, and tomography with the same resolution could be acquired in less than two seconds.
Furthermore, Zernike phase contrast has been implemented for the first time in compound refractive lens based microscopy, and estimations are presented that indicates that the use of this phase contrast technique with non-monochromatic illumination is possible, and is compatible with the lateral chromatic correction scheme. It is also shown that with the illumination focused in the objective, Zernike phase contrast can be achieved using modified CRLs, exemplified by employing a lenslet with a circular hole as a negative phase plate. This is essential for pink beam imaging since the localization of a positive phase plate in the focal spot could become quite challenging, considering the focal spot heat load.
Demonstrations of both monochromatic and non-monochromatic imaging with HXTM are presented for various test cases, including in-situ eutectic solidification, colloidal crystals from micron sized polymer spheres, and ultra-fast high resolution tomogram data collections.
Taking into account the effects of partial coherent illumination chromatic transmission cross-coefficients have been derived, and expressions for optimal coherence lengths and numerical apertures for any bandwidth and resolution requirement, are obtained. In addition, some convenient relations between numerical aperture and longitudinal chromatic aberration have been derived linking the severity of chromatic aberration of compound refractive lenses to their numerical aperture. Finally, a modelling tool for fast evaluation of image quality was implemented and described. Flerfargestråle røntgenmikroskopi:
En ny røntegenmikroskopimetode, som har fått navnet flerfargestråle røntgenmikroskopi, er under utvikling i et samarbeid mellom Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) og European synchrotron radiation facility (ESRF) i Frankrike. Et av bruksområdene for den nye metoden er forskning på metallegeringer. Mange tenker kanskje at når det kommer til metaller, så er aluminium aluminium, og stål er stål, men så enkelt er det ikke. Ved å tilsette litt mer eller litt mindre av forskjellige andre grunnstoffer kan en få veldig forskjellig styrke og fleksibilitet. I mange sammenhenger er det ønsket at et metall skal være så lett som mulig, men samtidig hardt, og kanskje også elastisk. Det er denne typen metaller som søkes bedre innsikt i med den nye metoden. Figur 1 viser et røntgenbilde av en aluminium-kopperlegering.
For å se på mikroskopiske detaljer i metaller trenger enn enorme mengder røntgenstråling. De fleste forbinder røntgen med tannlegen og radiologen, der røntgenstråling kommer fra en maskin plassert inne i et lite rom. Når en bruker flerfargestråle røntgenmikroskopi, derimot, bruker man røntgenstråling fra såkalte synkrotroner. Synkrotroner lager røntgenstråling ved drive elektroner i store sirkulære baner, nært 1 km i diameter. Når elektronene passerer spesielle magnetstrukturer fører det til en veldig intens og veldig smal stråle av røntgen.
Så hvor kommer begrepet «flerfargestråle» fra? Jo, en synkrotron lager røntgenstråling med mange forskjellige bølgelengder. Det er vanlig i røntgenmikroskopi å bruke en veldig bestemt bølgelengde, og forkaste resten av røntgenstråling. Med «flerfargestråle» mener man rett og slett at man utnytter et betydelig større utvalg av bølgelengder. Mye av utviklingen av flerfargestråle røntgenmikroskopi har gått på hvordan en best mulig kan bruke den ekstra røntgenstrålingen.
Has parts
Paper 1: Falch, Ken Vidar; Detlefs, Carsten; Di Michiel, Marco; Snigireva, Irina; Snigirev, Anatoly; Mathiesen, Ragnvald. Correcting lateral chromatic aberrations in non-monochromatic X-ray microscopy. Applied Physics Letters 2016 ;Volum 109.(5) [http://dx.doi.org/10.1063/1.4960193] Published by AIP PublishingPaper 2: K. V. Falch, M. Lyubomirskij, D. Casari, C. Detlefs, A. Snigirev, I. Snigireva, M. Di Michiel, and R. Mathiesen. Zernike phase contrast in high-energy xray transmission microscopy based on refractive optics.
Paper 3: Ken Vidar Falch, Daniele Casari, Marco Di Michiel, Carsten Detlefs, Anatoly Snigireva, Irina Snigireva, Veijo Honkimäki, and Ragnvald H. Mathiesen. In situ hard x-ray transmission microscopy for material science. Journal of Materials Science, March 2017, Volume 52, Issue 6, pp 3497–3507 - Is not availabel due to copyright available at http://dx.doi.org/10.1007/s10853-016-0643-8
Paper 4: K. V. Falch, C. Detlefs, A. Snigirev, and R. Mathiesen. Analytical transmission cross-coefficients for pink beam x-ray microscopy based on compound refractive lenses