TY  - THES
A1  - Ebensperger, Thomas
T1  - Konzeption, Umsetzung und Evaluierung eines linsenlosen Röntgenmikroskopes
T1  - Design, Setup and Characterization of a Lensless X-ray Microscope
N2  - Diese Arbeit befasst sich mit der Konzeption, Umsetzung und Charakterisierung eines Rönt- genmikroskops für harte Röntgenstrahlung mit der Möglichkeit zur dreidimensionalen Bild- gebung. Der vorgestellte Aufbau basiert auf geometrischer Vergrößerung und verzichtet im Gegensatz zu anderen Röntgenmikroskopiemethoden auf den Einsatz optischer Elemente. Dreidimensionale Bildgebung wird durch einen linearlaminographischen Aufnahmemodus realisiert, bei dem unterschiedliche Durchstrahlungsrichtungen durch das Objekt durch eine relative Verschiebung von Quelle und Detektor zustande kommen. Die Röntgenquelle des Mikroskops besteht aus einer zu einer Nanofokusröntgenröhre um- gebauten Elektronenmikrosonde mit 30 kV Beschleunigungsspannung (dies entspricht einer Wellenlänge von bis zu 0,041 nm). Durch die Elektronenoptik kann ein intensiver Elektronen- strahl anstelle eine Probe auf ein Transmissionstarget fokussiert werden. In dieser Arbeit wird eine Möglichkeit evaluiert, die Schichtdicke der röntgenaktiven Schicht des Transmissionstar- gets für die gegebene Beschleunigungsspannung zu optimieren. Dabei werden eine Schichtdi- cke für maximale Röntgenleistung (700 nm Wolfram) und eine für maximale Röntgenleistung bezogen auf die entstehende Quellfleckgröße (100 nm Wolfram) identifiziert. Dadurch erreicht dieses System eine laterale Ortsauflösung von 197 nm, gemessen an einem Siemensstern. Diese ist eine Größenordnung besser als bei modernen SubμCT-Anlagen, die zur zerstörungsfrei- en Prüfung eingesetzt werden, und einen Faktor 2 besser als bei Laborröntgenmikroskopen basierend auf Fresnel’schen Zonenplatten. Abgesehen von der lateralen Auflösung bei hochkontrastigen Objekten werden auch die Abbil- dungseigenschaften für schwach absorbierende Proben mit Inline-Phasenkontrastbildgebung untersucht. Dazu wird eine Methode entwickelt mit der anhand der gegebenen Anlagenpara- meter der optimale Quell-Objekt-Abstand zur Maximierung des Fringe-Kontrasts gefunden werden kann. Dabei wird die Ausprägung des Fringe-Kontrasts auf die Phase −iα zurück geführt. Das vorgeschlagene Modell wird durch Messungen am Röntgenmikroskop und an einer weiteren Röngtenanlage verifiziert. Zur Beurteilung der dreidimensionalen Bildgebung mit dem vorgeschlagenen linearlaminogra- phischen Aufnahmemodus kann dieser auf eine konventionelle Computertomographie mit ein- geschränktem Winkelbereich zurückgeführt werden und so die maximal erreichbare Winkel- information bestimmt werden. Des Weiteren werden numerische Berechnungen durchgeführt, um die Einflüsse von Rauschen und geometrischen Vorgaben einschätzen zu können. Ein experimenteller Test des Laminographiesystems wird anhand eines hochkontrastigen (Fres- nel’sche Zonenplatte) und eines niederkontrastigen Objekts (Kohlefasergewebe) durchgeführt. Es zeigte sich, dass die laterale Auflösung während der dreidimensionalen Rekonstruktion gut erhalten bleibt, die Tiefenauflösung aber nicht die gleiche Qualität erreicht. Außerdem konnte festgestellt werden, dass die Tiefenauflösung sehr stark von der Geometrie und Zusammen- setzung des untersuchten Objekts abhängt.
N2  - The general topic of this thesis is the design, setup and characterization of a hard x-ray microscope with 3D imaging capability. The presented setup is based on geometric magnifi- cation and does not make use of x-ray optical elements in contrast to most other methods for x-ray microscopy. Three dimensional imaging is realized using a linear laminographic ima- ging mode which uses a relative linear displacement of source and detector to realize different views through the object. The x-ray source of the setup is based on an electron probe micro analyzer with 30 kV acce- leration voltage that has been refitted to serve as a nano focus x-ray source producing x-rays with a wavelength down to 0.041 nm. By means of the used electron optics a highly intense electron beam can be focused on a transmission target. In this thesis a method of optimizing the thickness of the x-ray source layer of the target for a given acceleration voltage is evalua- ted. Thus, two thicknesses for the used tungsten target can be identified: one for maximum x-ray yield (700 nm) and one for maximum yield per source size (100 nm). With the optimized targets a lateral resolution of 197 nm can be achieved. This is an improvement of one order of magnitude compared to state-of-the-art sub-micron CT setups for non-destructive testing and an improvement of a factor of 2 compared to laboratory setups using Fresnel zone plates. In addition to resolution tests at high contrast specimens, the imaging of weakly absorbing specimens is addressed. Therefor, a method for identifying the optimal source object distance for a given imaging setup in order to maximize the fringe contrast in inline phase contrast imaging has been developed by maximizing the absolute value of the phase of the Fresnel propagator −iα. This method has been verified by experiments at the proposed microscope and with an x-ray imaging setup using a liquid metal jet anode. To assess the 3D imaging capabilities of the setup, the laminographic imaging mode can be described as a conventional computed tomography with limited scanning angle. This allows an assessment of the accessible volume information. Furthermore, numerical experiments have been performed to evaluate the influence of noisy projections and geometric inaccuracies. An experimental test of the laminographic system has been conducted using both a high- contrast specimen (Fresnel zone plate) and a low-contrast specimen (carbon fibre mesh). The lateral resolution of the single projections can be transferred to the 3D volumes. The depth resolution, however, does not reach the same quality due to the limited information. Furthermore, it can be stated that depth resolution is highly dependent on the scanned specimen.
KW  - Harte Röntgenstrahlung
KW  - Röntgenmikroskopie
KW  - Ultrathin Transmission Target
KW  - Röntgenmikroskop
KW  - Dreidimensionales Bild
KW  - Physik
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-117937
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schäfer, David
T1  - Entwicklung eines Transmissionsmikroskops für weiche Röntgenstrahlung und die Anwendung an Laborquellen
T1  - Table-Top Transmission Soft X-ray Microscope for laboratory applications
N2  - Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Konstruktion eines mobilen Transmissionsmikroskops für weiche Röntgenstrahlung. Dieses ist speziell für den Einsatz an Laborquellen konzipiert und erlaubt durch einen modularen Aufbau auch den Betrieb an Synchrotroneinrichtungen. Das Mikroskop basiert auf einem abbildenden System mit einer Zonenplatte als Objektiv und einer CCD-Kamera als Detektor. Das Anwendungsgebiet erstreckt sich über den spektralen Bereich des Wasserfensters zwischen 2,3 nm und 4,4 nm Wellenlänge bis hin zu extrem ultravioletter Strahlung (Wellenlänge < 20 nm). Dabei können vakuumtaugliche Proben, wie beispielsweise lithographische Testobjekte, Kieselalgen oder chemisch fixierte biologische Zellen untersucht werden. Bei den verwendeten Laborquellen handelt es sich zum einen um ein laserinduziertes Plasma mit einem flüssigen Stickstoffstrahl als Target und zum anderen um eine elektrische Stickstoffgas-Entladungsquelle mit Hohlkathoden-Elektrodengeometrie. Aufgrund der stark unterschiedlichen Quellkonzepte müssen die Quellen für die Entwicklung entsprechender Kondensorkonzepte in Bezug auf ihre spektrale Strahldichte und Brillanz charakterisiert werden. Daher wurden neben Messungen mit einem absolut kalibrierten Spektrographen auch die Quellgrößen und Linienbreiten der wasserstoff- und heliumähnlichen Emissionslinien von Stickstoff bei N-Ly-alpha = 2,48 nm und N-He-alpha = 2,88 nm untersucht. Für eine gute Bildqualität sind neben einer gleichmäßigen, monochromatischen Ausleuchtung die Intensität in der Objektebene und eine Anpassung der numerischen Apertur von Kondensor und abbildender Optik wichtige Parameter. Daher wird an der laserinduzierten Plasmaquelle eine Zonenplatte als Kondensor verwendet. Diese bildet die Quelle 1:1 in die Objektebene ab und wirkt gleichzeitig als Linearmonochromator. Aufgrund der wellenlängenabhängigen Brennweite bietet sie zudem die Möglichkeit Spektromikroskopie zu betreiben. Da die emittierende Quellfläche der Entladungsquelle etwa vier Größenordnungen größer ist als die der laserinduzierten Plasmaquelle, wird an der Entladungsquelle ein mit Gold bedampfter, rotationssymmetrischer Ellipsoid für die Objektbeleuchtung verwendet. Angesichts einer geringeren Plasmatemperatur der Entladungsquelle und der damit verbundenen schwachen Emission der wasserstoffähnlichen Linien kann die He-alpha-Linie mit Hilfe eines Titan-Filters freigestellt werden. Anhand von Testobjekten und biologischen Proben wurde die Leistungsfähigkeit der beiden Konzepte gegenübergestellt. Während die räumliche Auflösung nach dem Rayleigh-Kriterium an der laserinduzierten Plasmaquelle durch Vibrationen im Aufbau auf ca. 70 nm begrenzt ist, konnte an der elektrischen Entladungsquelle eine nahezu beugungsbegrenzte Auflösung von 40 nm nachgewiesen werden. Die Belichtungszeiten bei 1000-facher Vergrößerung liegen bei der laserinduzierten Quelle je nach Objekt zwischen 10 und 30 Minuten. Durch die zehnfach höhere Intensität in der Objektebene ist die Belichtungszeit an der elektrischen Entladungsquelle entsprechend kürzer. Neben diesen Ergebnissen wird ein neues Anwendungsgebiet im Bereich organischer Halbleiter vorgestellt und erste Experimente präsentiert.
N2  - The presented work deals with the development and construction of a portable soft X-ray transmission microscope. It is specially designed for applications at laboratory sources but can also be operated at synchrotron facilities due to its modular layout. The microscope is based on a zone plate imaging system in conjunction with a CCD-camera as detector. The field of application ranges from the water-window spectral region between 2.3 nm and 4.4 nm wavelength to the extreme ultraviolet (wavelength < 20 nm). Vacuum prepared samples like lithographical test objects, diatoms or chemically fixed biological cells can be investigated. Two laboratory sources, a laser induced plasma based on a liquid nitrogen jet target and an electrical discharge source using hollow cathode electrode geometry, have been utilized. Due to the highly different source concepts the sources had to be characterized with regard to the radiant intensity and brilliance in order to determine an adequate condenser system. Therefore, beside measurements with an absolute calibrated spectrograph, the source sizes and line widths of the hydrogen- and helium-like emission lines of nitrogen at N-Ly-alpha = 2,48 nm and N-He-alpha = 2,88 nm have been investigated. For good image quality, parameters like uniform and monochromatic illumination of the object with high intensity and matched numerical aperture of condenser and imaging optics are important parameters. Therefore a zone plate is used as condenser at the laser induced plasma source. The zone plate images the source into the object plane and also acts as a linear monochromator. Due to the wavelength depending focal length of the zone plate the setup features spectral imaging capabilities. Since the emitting source area of the electrical discharge is about four orders of magnitude larger than the source size of the laser induced plasma, a gold-coated axially symmetric ellipsoid is used for object illumination at the discharge source. With respect to the lower plasma temperature of the discharge source and closely related weak emission of hydrogen like emission lines, the He-emission line can be selected by applying a titanium filter. The performance of both concepts is presented by imaging of test objects and biological cells. Whereas the spatial Rayleigh-resolution at the laser induced plasma source is limited to 70 nm due to vibrations, a nearly diffraction limited resolution of 40 nm can be demonstrated at the electrical discharge source. The exposure time at the laser induced plasma source at a magnification of 1000 depends on the object and ranges from 10 to 30 minutes. Due to a 10-times higher intensity in the object plane at the electrical discharge source the exposure time at this source is proportionate shorter. Besides performance tests a new field of application in organic semiconductors is described and first experiments are presented.
KW  - Röntgenmikroskop
KW  - Weiche Röntgenstrahlung
KW  - Transmission <Physik>
KW  - Wasserfenster
KW  - Labormikroskopie
KW  - Transmissionsmikroskopie
KW  - Fresnel-Zonenplatte
KW  - Lasererzeugtes Plasma
KW  - Elektrische Entladung
KW  - Table-top
KW  - soft x-ray
KW  - transmission microscopy
KW  - zone plate
KW  - water window
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-54383
ER  -