Christian Fella

• With increasing miniaturization in industry and medical technology, non-destructive testing techniques are an area of everincreasing importance. In this framework, X-ray microscopy offers an efficient tool for the analysis, understanding and quality assurance of microscopic species, in particular as it allows reconstructing three-dimensional data sets of the whole sample’s volumevia computed tomography (CT). The following thesis describes the conceptualization, design, construction and characterization of a compact laboratory-based X-rayWith increasing miniaturization in industry and medical technology, non-destructive testing techniques are an area of everincreasing importance. In this framework, X-ray microscopy offers an efficient tool for the analysis, understanding and quality assurance of microscopic species, in particular as it allows reconstructing three-dimensional data sets of the whole sample’s volumevia computed tomography (CT). The following thesis describes the conceptualization, design, construction and characterization of a compact laboratory-based X-ray microscope in the hard X-ray regime around 9 keV, corresponding to a wavelength of 0.134 nm. Hereby, the main focus is on the optimization of resolution and contrast at relatively short exposure times. For this, a novel liquid-metal-jet anode source is the basis. Such only recently commercially available X-ray source reaches a higher brightness than other conventional laboratory sources, i.e. the number of emitted photons (X-ray quanta) per area and solid angle is exceptionally high. This is important in order to reach low exposure times. The reason for such high brightness is the usage of the rapidly renewing anode out of liquid metal which enables an effective dissipation of heat, normally limiting the creation of high intensities on a small area. In order to cover a broad range of different samples, the microscope can be operated in two modes. In the “micro-CT mode”, small pixels are realized with a crystal-scintillator and an optical microscope via shadow projection geometry. Therefore, the resolution is limited by the emitted wavelength of the scintillator, as well as the blurring of the screen. However, samples in the millimeter range can be scanned routinely with low exposure times. Additionally, this mode is optimized with respect to in-line phase contrast, where edges of an object are enhanced and thus better visible. In the second “nano-CT mode”, a higher resolution can be reached via X-ray lenses. However, their production process is due to the physical properties of the hard X-ray range - namely high absorption and low diffraction - extremely difficult, leading typically to low performances. In combination with a low brightness, this leads to long exposure times and high requirements in terms of stability, which is one of the key problems of laboratory-based X-ray microscopy. With the here-developed setup and the high brightness of its source, structures down to 150 nm are resolved at moderate exposure times (several minutes per image) and nano-CTs can be obtained.…
• Mit zunehmender Miniaturisierung in Industrie und Medizintechnik werden zerstörungsfreie Prüfverfahren immer wichtiger. In diesem Umfeld bietet Röntgenmikroskopie ein effizientes Instrument zu Analyse, Verständnis und Qualitätssicherung mikroskopischer Proben, insbesondere da sie im Rahmen der Computer-Tomografie (CT) die Aufnahme dreidimensionaler Datensätze des gesamten Probenvolumens ermöglicht. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Konzeption, Design, Aufbau und Charakterisierung eines kompakten Labor-Röntgenmikroskops im hartenMit zunehmender Miniaturisierung in Industrie und Medizintechnik werden zerstörungsfreie Prüfverfahren immer wichtiger. In diesem Umfeld bietet Röntgenmikroskopie ein effizientes Instrument zu Analyse, Verständnis und Qualitätssicherung mikroskopischer Proben, insbesondere da sie im Rahmen der Computer-Tomografie (CT) die Aufnahme dreidimensionaler Datensätze des gesamten Probenvolumens ermöglicht. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Konzeption, Design, Aufbau und Charakterisierung eines kompakten Labor-Röntgenmikroskops im harten Röntgenbereich bei 9 keV, bzw. einer Wellenlänge von 0.134 nm. Im Fokus liegt dabei die Optimierung von Auflösung und Kontrast bei möglichst kurzen Belichtungszeiten. Hier für bildet die Basis eine neuartige Flüssig-Metall- Anoden Röntgenquelle. Solche erst seit kurzem kommerziell verfügbare Quellen erreichen eine höhere Brillianz als konventionelle Laborquellen, d.h. dass die Anzahl der emittierten Photonen (Röntgenquanten) pro Fläche und Raumwinkel außergewöhnlich hoch ist. Dies ist ein entscheidender Faktor, um nötige Belichtungszeiten zu verringern. Der Grund für die hohe Brillianz ist die Verwendung einer sich sehr schnell erneuernden Anode aus flüssigem Metall. Diese ermöglicht die effektive Abfuhr von Wärme, welche normalerweise die Erzeugung von höheren Intensitäten auf kleinerer Fläche limitiert. Um ein möglichst großes Spektrum an Proben abzubilden, kann das Mikroskop in zwei Modi betrieben werden. Im ”Mikro-CT Modus“ werden kleine Pixel mit Hilfe eines Kristall-Leuchtschirms und einem Lichtmikroskop über das Schattenwurfprinzip erreicht, weswegen dessen Auflösung durch die Wellenlänge des emittierten Lichts und die Unschärfe des Schirms beschränkt ist. Dafür können Proben im Millimeterbereich bei geringen Belichtungszeiten standardmäßig aufgenommen werden. Zudem wurde dieser Modus auf inline Phasen-Kontrast optimiert, bei welchem die Kanten eines Objekts durch Interferenz überhöht dargestellt werden und somit besser sichtbar sind. Im zweiten ”Nano-CT Modus“ kann eine erhöhte Auflösung mit Hilfe von Röntgenlinsen erreicht werden. Deren Herstellung ist aber aufgrund der physikalische Eigenschaften im harten Röntgenbereichs - nämlich starke Absorption und schwache Brechung - technisch extrem schwierig und meist mit einer sehr geringe optischen “Leistung” verbunden. Dies führt in Kombination mit einer geringen Brillianz zu sehr langen Belichtungszeiten und hohen Anforderungen an die Stabilität, was ein Kernproblem der auf Laborquellen basierenden Röntgenmikroskope darstellt. Mit der hier entwickelten Anlage können durch die hohe Brillianz der verwendeten Quelle bei moderaten Belichtungszeiten (wenige Minuten pro Bild) Strukturen der Größe 150 nm voneinander getrennt, sowie Nano-CTs aufgenommen werden.…