使用抗輻射聚合物制造的X射線折射光學元件（CRL）
Author：Josephine Gutekunst1, Joachim Schulz12, Arndt Last2
1 Microworks GmbH, Karlsruhe, Germany
2 KIT / IMT, Karlsruhe, Germany
Refraction
X射線折射 — 一項特殊的技術挑戰(zhàn)
與可見光不同，X 射線光子的短波長或高能量會導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，物質的X射線光學性質取決于物質的分子式及其密度，并直接與原子序數(shù)Z相關。吸收率隨 Z3 增加，折射率隨 Z2 增加。這意味著 X 射線透鏡應該只折射 X 射線而不吸收它們（如可見光波長范圍內的玻璃），如果可能的話，應該由原子序數(shù)較小的輕元素制成。
還應注意，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，但焦距也會變得更長。典型的技術相關能量介于 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折射率描述。對于 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，因此，X 射線中的折射率對于所有材料都略小于 1，與真空或空氣的折射率差別很小。這導致在界面處折射時角度偏轉非常小，因此單個透鏡的焦距非常大。因此，許多透鏡被排成一排，形成所謂的復合折射透鏡 (CRL)，以實現(xiàn)幾厘米范圍內的焦距。
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. 復合折射透鏡 (CRL) 草圖
對于由 N 個具有相同曲率半徑 R 的單獨透鏡元件組成的 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
吸收會限制 X 射線透鏡的有效孔徑，因為穿過透鏡的光路會隨著與光軸的距離而二次增加。為了實現(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 的每個單透鏡元件都會減少僅對吸收有貢獻但不對折射有貢獻的部分（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) 棱鏡結構取代。
Overview
不同類型光學元件概述
現(xiàn)有 X 射線光學器件類型多種多樣，因此很難選擇最適合您應用的一種。不過X 射線光學器件可根據(jù)所使用的主要物理效應進行分類：有基于鏡面光學器件、衍射光學器件、折射和吸收光學器件。為了便于概述，下面簡要比較了最重要的幾種光學器件，并給出了近似值：
Application
折射x射線透鏡（CRL）的應用領域
應用示例包括：材料科學中的復合材料分析、衍射法中的樣品照明、使用 Shack-Hartmann 傳感器進行照明的光束分析以及用于生物學的全場 X 射線顯微鏡的成像光學。X 射線管的應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 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，許多元件必須一個接一個地放置，而且這些元件必須非常小。現(xiàn)代微結構技術使這成為可能。
X 射線 LIGA 可以實現(xiàn)非常好的 1D CRL。2D CRL 是通過組合兩個以 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：
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，因此具有很強的折射能力
工作距離短（可能只有幾厘米）
小的標準外殼（80 x 70 x 18 mm3）可容納多個平行 CRL；因此易于集成到實驗中
易于操作和光束對準，因為由于制造技術，各個透鏡已經(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）
工作距離可進行非常精細的調整，因為單透鏡元件的半徑 沿光軸以百分之幾的步長變化 [Mars 2016]
它們是成像光學元件 [Mars 2016]。
可以實現(xiàn)線聚焦或點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（標準 2D 透鏡 1萬 歐元起）。
改進空間：
與所有折射透鏡一樣，它們僅適用于準單色輻射。
熱導率差（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，但對于 >30keV 的能量，這種吸收率幾乎可以忽略不計。
★ 4.2 變焦鏡頭 — 用于微調焦距的小型變焦鏡
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立調節(jié)。由于各個鏡頭的半徑僅相差幾個百分點，因此可以以準連續(xù)的方式非常精確地調整焦距或工作距離。或者，即使光子能量發(fā)生微小變化，也可以精確保持焦距。交付的程序會在短時間內（<30 秒）計算并調整所需焦距的配置。
圖6. X 射線變焦鏡頭。外殼的邊長約為 10 cm。右側可以看到帶有微控制器和控制程序的整個 X 射線變焦鏡頭系統(tǒng)。
X 射線棱鏡透鏡即使對于 1.8 x 1.8 mm2 的大孔徑也能實現(xiàn)非常高的透射率，非常適合用作照明光學元件，特別是用于全場顯微鏡中的樣品照明或高亮度同步加速器源的光束擴寬 [Mark 2018]。它們由數(shù)千個彼此精確定位的小棱鏡組成。各個棱鏡的位置遵循穿過透鏡的光束路徑。為了實現(xiàn)點聚焦透鏡，必須將兩個棱鏡透鏡以 90° 交叉組合，因此每個棱鏡的高度必須至少與得到的孔徑一樣高。由于每個棱鏡的邊長約為 20 μm，因此會產(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：
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展 [Mark 2018]
光束方向無變化
由聚合物 SU-8 制成的 XPL 的缺點：
必須針對每個客戶單獨重新設計和處理適當?shù)?XPL。
支撐平面將吸收率提高幾個百分點。
利用 X 射線 LIGA，可以實現(xiàn)許多不同形狀的光學器件。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 中可以看到兩個由 LIGA 制造的 1D 菲涅爾透鏡，它們以 90° 交叉形成一個點聚焦透鏡。
圖8. 聚焦菲涅爾透鏡
CRL 陣列用于形成 Shack-Hartmann 傳感器類型的光學元件，從而生成多個點焦點的網(wǎng)格。圖 9 中可以看到一個示例。
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在 KARA 生產(chǎn)的 KIT/IMT 出色的 X 射線光學元件開展研究。在過去的幾十年里，SPring-8 研究人員使用 KIT 的 X 射線光學元件發(fā)表了 360 多篇論文。KARA 的深度 X 射線光刻技術對于 SPring-8 和 SACLA 的研究至關重要?！?/p>
Ⅱ
Jonathan Lang 博士，APS X射線科學部主任，阿貢國家實驗室
“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了 APS 暗場 X 射線顯微鏡 (DFXM) 技術的快速發(fā)展。來自凝聚態(tài)物理、材料科學和機械工程領域的 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 SOLARIS 國家同步輻射中心成像和顯微鏡科主任
“我們在 KIT 制造了折射多透鏡陣列光學器件。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器件或其他合適的光學器件。光學器件的光學質量非常出色?！?/p>
Ⅳ
Kawal Sawhney 博士，英國 Diamond Light Source Ltd 光學與計量學主管
“我們的光學組、診斷組和我們的幾條光束線使用 KIT 制造的一個或多個光學器件。我們的多項活動極大地受益于各種光學器件，包括折射 X 射線透鏡、X 射線針孔和 X 射線光柵。這些光學元件品質卓越，KIT/IMT 是其主要來源，甚至是唯一來源。”
References
參考文獻
E. Kornemann, T. Zhou, O. Márkus, A. Opolka, T. Schülli, J. Mohr, A. Last,X-ray zoom lens allows for energy scans in X-ray microscopy, Optics Express, Vol. 27, Is- sue 1, pp. 185-195 (2019), doi: 10.1364/OE.27.000185 | |
[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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[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(chǎn)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(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）等微結構。
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(xiàn)最高分辨率、效率、穩(wěn)定性和設計質量。產(chǎn)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。
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(lián)系我們。
