一种用于X射线显微镜的新型可变形镜,通过波前校正实现高图像分辨率。
一个日本研究小组设计出了一种可灵活塑形的X射线反射镜,从而在原子水平上实现了显著的精确性和更高的稳定性。这项由名古屋大学工程研究生院的Satoshi Matsuyama和Takato Inoue与日本理化学研究所和 JTEC 公司合作开发的新技术,提高了X射线显微镜和其他使用 X 射线镜的技术的性能。相关成果发表在《光学》(Optica)杂志上。
X 射线显微镜是一种先进的成像工具,是电子显微镜和光学显微镜之间的桥梁。它使用的 X 射线能提供比光更好的分辨率,并能穿透电子无法穿透的太厚的样品。这样就能对其他显微镜技术难以看到的结构进行成像。
X 射线显微镜具有高分辨率,因此在材料科学和生物学等领域尤为重要,因为它们可以观察到样品内部的成分、化学状态和结构。
反射镜在 X 射线显微镜中起着至关重要的作用。它们可以反射 X 射线束,对复杂结构进行高分辨率成像。高质量的图像和精确的测量是必不可少的,尤其是在催化剂和电池检测等尖端科学领域。然而,由于 X 射线的波长较小,因此很容易因微小的制造缺陷和环境影响而失真。这会产生波前像差,从而限制图像的分辨率。Matsuyama和他的合作者通过制造一种可以变形的镜子,根据检测到的 X 射线波面调整其形状,从而解决了这一问题。
X射线显微图像显示了使用新型可变形镜子后更高的分辨率。左图和右图分别是形状校正前和校正后的图像。
为了优化他们的镜子,研究人员研究了压电材料。这些材料非常有用,因为当施加电场时,它们可以变形或改变形状。这样,即使检测到的电波存在微小的偏差,材料也能重塑自身形状,做出响应。
在考虑了各种化合物之后,研究人员选择了铌酸锂单晶作为可改变形状的镜子。单晶铌酸锂在 X 射线技术中非常有用,因为它可以在电场作用下膨胀和收缩,并通过抛光形成高反射表面。这使得它既可以作为致动器,也可以作为反射面,从而简化了设备。
Matsuyama 说:“传统的 X 射线可变形反射镜是通过粘接玻璃基板和 PZT 板制成的。然而,将不同的材料连接在一起并不理想,会导致不稳定。为了克服这个问题,我们采用了单晶压电材料,这种材料由均匀的材料制成,无需粘接,因此具有极高的稳定性。由于结构简单,镜子可以自由变形,达到原子级精度。此外,这种精度还能保持 7 个小时,证实了其极高的稳定性”。
在测试他们的新设备时,Matsuyama的团队发现他们的 X 射线显微镜超出了预期。它的高分辨率使其特别适用于观察微观物体,如半导体器件组件。
与传统 X 射线显微镜的空间分辨率(通常为 100 纳米)相比,他们的技术有可能开发出分辨率高出约 10 倍(10 纳米)的显微镜,因为像差校正使其更接近理想分辨率。
Matsuyama说:“这项成果将推动高分辨率 X 射线显微镜的发展,而这种显微镜一直受到制造工艺精度的限制。这些镜子还可应用于其他X射线设备,如光刻设备、望远镜、医疗诊断中的CT以及X射线纳米束形成。
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