The Devil is in the Details-多功能X射线光束测试卡的结构及使用方法

由德国Microworks公司（母公司XRnanotech）提供的多功能X射线光束测试卡由在 2.4 微米厚的钛膜上面覆盖约 30±5 微米厚的结构化金层组成。钛膜对 X 射线几乎透明，而覆盖金的区域是X射线不透的。膜被固定在一个铝框架上，以保持平整并提供机械保护。测试结构可以被放置在 X 射线光学装置的光路中，用于验证光学元件的状态（见下文）。

如果客户需要，可以去除一部分钛膜。在这种情况下，剩余金膜中的孔对可见光（例如激光束）是透明的。

多功能X射线光束测试卡的铝框架外部尺寸为10x10 x10mm，侧壁厚度为1mm (见下图 1) ，重量约为1g。

图1. 多功能X射线光束测试卡实物图

多功能X射线光束测试卡包括 23 个方形孔（红色方框A内）以及左上角的两个矩形狭缝结构（红色方框B内）（见下图 2）。方形孔（红色方框A内）的边长分别为：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 毫米方形孔区域内，如果移除了钛膜，可见光可以穿过膜。这为调整测试卡提供了便利（见下文）。

图 2. 测试卡图案中红色标记A内方形孔 的尺寸（单位：mm）以及红色标记B内矩形图案的位置。

该测试卡中还包括标记在金层中的数字（字母高度 1mm，线宽 125μm ），这些数字便于定位测试结构（见下图 3）。测试图案的相对位置如图 4 所示，方形孔按 1.15 毫米网格排列，从每个方形孔的中心测量。

图 3. 测试图案中数字的位置（数字 #33 出现了两次）

图 4. 测试图案的相对位置（单位：毫米）

图 5、图 6 和图 7 显示了矩形孔的两种图案及其相对位置。每个矩形狭缝（B）的尺寸为 100 微米 x 5 微米。矩形狭缝中心的间距为：6, 10, 12.5, 15, 17.5, 20, 30, 40, 50, 66, 80, 100和 125(μm)。图中所有尺寸的公差为 ±1 μm。

图 5. 矩形孔图案的相对位置（单位：毫米）

图 6. 矩形狭缝的距离（单位：毫米），从矩形外边缘测量

图 7. 测试图案中矩形狭缝的距离（单位：毫米）

测试卡的框架应通过轻轻夹紧固定在一个平台上。在测试线聚焦X射线光斑尺寸时，该平台应能提供围绕 X 射线光束轴的旋转（最小步长：0.03°）功能，并提供两个垂直于光束的倾斜调节轴（最小步长：0.1°）。此外，平台还应具有光束垂直方向的移动功能（最小步长应适合“刀边”测量）。

通过 CCD 相机确定的焦点大小是实际光斑大小与闪烁晶体分辨率和摄像机像素大小卷积的结果。因此，测得的光斑大小会大于实际大小。

如果需要确定点聚焦的真实 x 和 y 方向尺寸，我们建议使用“刀刃”法。该方法通过一块强吸收材料的锐边垂直通过被测光束来测量。如果该边缘位于光束的焦平面，当边缘穿过光束时，其后方的强度会相对快速地变化。

我们的多功能X射线光束测试卡可用于此测量（见图1）。使用一个大方形孔进行此处描述的测量。测试结构包含固定在框架中的钛箔，上面带有沿 x 和 y 方向的金吸收边缘。在金边相交处，钛膜上有一个孔（如果订购），允许校准激光光束通过该箔，对于使用激光定位此结构非常有用。

将刀刃测试卡安装在一个带电动 x、y 和 z 轴的平移台上（例如，使用压电驱动器达到至少 100 纳米的 x 和 y 方向步进分辨率，并使用步进电机实现几个微米的 z 方向步长）。可以实际测量的最小横向光束尺寸约为 x 和 y 步长的三倍。将测试卡放置在焦点的 z 位置附近，并使其与校准激光束垂直对齐。这可以通过观察从测试结构金吸收器反射的激光束来完成。当成功对齐后，例如在测试结构后方放置一个xPIN.X射线探测器。确保没有光束绕过测试结构框架直射探测器；如有这种情况，添加一个额外的孔径以阻挡框架外通过的光束。

当刀刃结构例如沿 x 方向移动时，当光束撞击到吸收金箔时，它将阻挡 X 射线光束（见图 8）。探测器将记录从最大强度到最小强度的下降。被分析的 X 射线光束的强度分布与测量的强度曲线的一阶导数成正比。通过将刀刃结构沿 y 方向移动，可以以相同的方式测量焦点的 y 方向尺寸。

由于无法确保测试结构在首次尝试中位于焦平面，因此必须针对不同的 z 位置重复测量。一个好的选择是，将刀刃的 z 位置以约占 X 射线透镜理论焦距 1% 的步长在焦平面理论 z 位置的周围进行变化。沿 z 轴进行一系列测量时，逐步减少 z 步长。边缘对应最小光束直径的 z 位置即为焦平面的位置。

对于散光透镜，由于 x 和 y 方向的焦距不同，刀刃的最小光束直径（分别在 x 和 y 方向）可能出现在不同的 z 位置。

图 8. 使用 X 射线光束（蓝色）在刀刃平面聚焦以及测试卡的“刀边”测量示意图

图 9. 通过“刀边”测量获得的强度信号 j(x)j(x) 及其导数 i(x)i(x) 的图示

图 10. 30微米厚金箔在不同能量X光下的吸收图示

这里值得注意的是金吸收层的厚度应该超过焦点光斑的直径。因此，如果金吸收层的平面未与光学轴垂直，则 X 射线光束所观察到的吸收对比度会降低（见图11）。当倾斜的金边缘垂直于光轴移动到光束中时，金边缘的厚度在距离 x=d⋅sinα范围内发生变化。对于厚度为 30 微米的金层和例如 1° 的倾斜角，这将导致 x≈520 nm 的距离变化，该值接近待测焦点光斑直径的范围。在这个距离 x内，光束的衰减从最小水平变化到对应于 30 微米金吸收的最大水平。这导致焦点光斑的横向尺寸显得更大。

在数学描述中，刀刃后方的强度是刀刃平面内强度分布与倾斜金边缘透射函数的卷积。为了最小化这种影响，必须尽可能将刀刃的平面调整为垂直于光轴。

如果需要精确测量焦点尺寸，应按照上述方法确定焦点的 z 位置。然后，将金边缘以约 0.1° 的小角度倾斜。完成此步骤后，重复焦点尺寸的测量，直到找到最小值。此最小值是实际焦点尺寸的最佳近似值。

图 11. 刀边测试中金吸收器的放射成像，左图：吸收器垂直于光束时的情况。右图：倾斜刀刃的情况。

通过 CCD 摄像机测量的焦点尺寸可能无法反映真实的线宽，因为摄像机的分辨率不足以解析真实的线宽。

如果想要确定线聚焦的真实宽度，建议使用上一章节描述的“刀边”法测量点聚焦尺寸，请按照上一章节中的主要步骤操作。

针对线聚焦的测量，这里需要注意的不同点如下：

★ 刀刃与线聚焦的平行性：

• 如果刀刃未与待测线聚焦平行，测量得到的线宽将大于真实值。因此，需要确保刀刃的位置已调整为与线聚焦平行。

• 最好的方法是将刀刃稍微倾斜（例如 3°），重复测量，并多次调整，直到确定最小值。

★ 图示变化：

• 在线聚焦测量的情况下，原来的图 8 更改为图 12。

图 12. 使用 X 射线焦点（蓝色）和位于 X 射线透镜焦平面的测试卡进行“刀边”测量的示意图

测试结构也可以作为X射线成像测试中的测试孔径使用。在这种情况下，测试结构需要调整为垂直于 X 射线束。可以通过以下方法进行调整：

• 使用可见激光束从测试结构金属表面的反射来调整，使其背反射对齐。

• 或者通过使用 X 射线探测器进行透射测量来调整，当测试结构的膜垂直于 X 射线束时，膜中最小的方孔会在探测器上显示为最亮的区域。

调整完成后，用 X 射线照射测试卡。膜中的较小方形孔将通过被测 X 射线光学系统成像到探测器上。通过将成像质量与测试结构中已知的方形孔尺寸进行比较，可以评估 X 射线光学系统的质量。

需要注意的是，由于衍射效应的存在，这种测试方法不会得到非常精确的结果。

测试卡中的矩形方孔（图 2 中标记为“B”）可以用来评估入射 X 射线光束的相干性，类似于杨氏实验。

* 详见：杨氏双缝实验 https://en.wikipedia.org/wiki/Double-slit_experiment

• 非相干光束：如果 X 射线光束是非相干的，则在测试结构后放置的探测器上不会出现干涉图案。

• 强相干光束：对于具有强相干性的 X 射线光束，即使是较大间距的双缝结构，也会在探测器上生成干涉图案。

在计算这些效应时，需要考虑光通过狭缝进入 30 微米厚金膜的“通道”后，可能会在通道侧壁上发生反射。根据光子能量的不同，这种反射可能会显著影响干涉图案。此测试能够帮助评估 X 射线束的相干性，并揭示光束特性的细节。

来自澳大利亚的研究团对在同步辐射开展了在X光波段的杨氏双缝实验。该为名为：“Young’s double-slit interference with single hard X-ray photons”于2024年4月发表于“Optics Express”。

此文章介绍了使用能量为 25 keV 的单色硬 X 射线进行双缝干涉实验。实验在同步加速器源上进行，干涉仪与探测器之间的距离为 110 m，产生的干涉图案具有足够宽的周期，可被具有 75 微米像素的光子计数、像素化X射线探测器充分采样。在单粒子版本的实验中，收集了超过一百万个图像帧，每个图像帧中都有一个配准的光子。这些帧的总和显示了具有预期周期的干涉图案的清晰存在。后续分析客观估计了根据 Rose 标准确定光子干涉存在所需的最少检测光子数。除了一般的理论兴趣外，这些研究还旨在探索在最小辐射剂量下在光子计数模式下进行医学 X 射线相衬成像的可能性。

如果您对上述测试卡及测试方法感兴趣或者有疑问，欢迎通过留言、微信和电话等多种方式联系我们。

德国microworks 公司成立于2007年，是卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）微技术研究所（IMT）衍生的子公司，将X 射线和激光LIGA技术运用到制作 X 射线光栅及其他精密微结构。Microworks为X射线无损检测（NDT）提供标准化和定制产品。在微纳米技术领域，Microworks代表着高精度，其最高纵横比和精度可以远低于 1 µm。其产品涵盖相衬成像光栅及套件、高深宽比分辨率测试卡、针孔、CRL镜、beamstop，及微齿轮、双曲型电板、精密筛、近红外滤波器（选频滤波器）等微结构。

瑞士XRnanotech是瑞士知名的Paul Scherrer Institute研究所10多年研发的结晶，于2020年成立，旨在将最新的突破性X射线光学创新引入市场。瑞士XRnanotech专注于研究纳米结构，开发和制造最具创新性的X射线光学器件，以实现最高分辨率、效率、稳定性和设计质量。产品线包括：菲涅耳波带片、纳米级光栅、金刚石光学器件、纳米分辨率测试卡、3D分辨率测试卡等。XRnanotech 制造的菲涅耳波带片分辨率可低至<10nm，凭借独特的 Ir-线倍增技术，可以获得精确到 5nm 的 X 射线束聚焦，这使得 XRnanotech 成为 X 射线透镜世界纪录保持者。

北京众星联恒科技有限公司作为 Microworks 公司和XRnanotech公司的中国区全权总代理商，为中国用户提供所有的售前咨询，销售及售后服务，欢迎联系我们。

 内容   凯文

 编辑   小乔