Timm Weitkamp, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2002 :

"Hochauflösende Radiographie und Tomographie mit kohärenter harter Synchrotronstrahlung"


"Imaging and Tomography with High Resolution Using Coherent Hard Synchrotron Radiation"



Schlagwörter: X-ray optics,X-ray microscopy,X-ray examination of microstructure,tomography, Fresnel diffraction,lenses,synchrotron radiation,CCD image sensors,optical transfer function, electromagnetic wave propagation, numerical simulation, aluminium alloys,copper alloys,lead alloys,tin alloys,dendritic structure, eutectic structure,paper,porous materials
PACS : 07.85.Qe;07.85.Fv;07.85.Tt;41.50.+h;81.70.Tx;42.30.Kq;07.05.Tp;81.30.-t;81.05.Lg
Der Volltext wurde als Buch/Online-Dokument (ISBN 3-89873-609-1 ) im Cuvillier Verlag Göttingen veröffentlicht.

Summary

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit behandelt Konstruktion, Charakterisierung und Anwendung eines hochauflösenden Mikroradiographie- und Mikrotomographie-Geräts am Undulatorstrahlrohr ID 22 der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF in Grenoble (Frankreich) sowie Untersuchungen zur Erweiterung der Leistungsfähigkeit von Gerät und Methode durch Verwendung von Röntgenlinsen. Der Flächendetektor des Instruments hat ein räumliches Auflösungsvermögen unterhalb eines Mikrometers (volle Halbwertsbreite der Linienantwortfunktion 0.5 µm), eine Detektorlinearität besser als 2 Prozent sowie eine schnell auslesende (ca. 100 ms) und rauscharme CCD-Elektronik und ist optimiert für Photonenenergien zwischen 10 und 30 keV. Die Kohärenzeigenschaften der Röntgenstrahlen aus dem ESRF-Undulator ermöglichen die Ausnutzung von Inline-Phasenkontrast, der eine Hervorhebung von Grenz- und Oberflächen in der Probe bewirkt und für zahlreiche schwach absorbierende Systeme um Größenordnungen stärker ist als der üblicherweise ausgenutzte Absorptionskontrast. Anwendungsbeispiele werden präsentiert, in denen die Leistungsmerkmale des Geräts bezüglich räumlicher Auflösung, Kontrast und Zeitauflösung entscheidend sind. So liefern mikrotomographische Messungen an Papier nicht nur dreidimensionale Information über die Struktur des Zellulosefasernetzwerks, sondern auch innere Strukturparameter der Fasern. Die Nutzung von Phasenkontrast ermöglicht derartige Messungen auch an in Wasser eingetauchten Proben, für welche kein meßbarer Absorptionskontrast auftritt. In einem weiteren Experiment erlauben das geringe Rauschen des Detektors und seine schnelle Auslese in Kombination mit der hohen Röntgenflußdichte zeitaufgelöste Bildserien von Nichtgleichgewichts-Wachstumsprozessen bei der Erstarrung von Metallschmelzen. Mit dem Ziel noch besserer Auflösung und Bildqualität werden schließlich Möglichkeiten des Einsatzes modularer refraktiver Röntgenlinsen (engl. compound refractive lenses, CRLs) in bildgebender Geometrie untersucht, und zwar sowohl experimentell als auch durch Simulationsrechnungen mit eigens entwickelter Software zur Bildentstehung durch Fresnel-Propagation. Abbildungssysteme mit Röntgenlinsen liefern scharfe Bilder weit vom Detektor entfernter Strukturen ohne Halbschatteneffekte und Fresnelbeugung. Bei geeigneter Geometrie ist das Bild vergrößert. Der Aufbau stellt dann ein einfaches Röntgenmikroskop dar und ermöglicht Radiographie mit einer räumlichen Auflösung, die jene des Detektors übertrifft. Die Experimente zeigen, daß derzeit verfügbare CRLs aus Aluminium nutzbringend für strahldiagnostische Zwecke wie das Abbilden der Röntgenquelle oder von röntgenoptischen Komponenten im Strahlverlauf eingesetzt werden können. Im Bereich der röntgenmikroskopischen Anwendungen ist es gelungen, mikroskopische Tomogramme aufzunehmen. Dies demonstriert unter anderem das verzerrungsfreie Abbildungsverhalten der CRLs. Die Auflösung der CRL-mikroskopischen Tomogramme ist etwas besser als 1 µm. Das Erreichen deutlich höherer Auflösung wird durch das Absorptionsprofil der Aluminiumlinsen erschwert, das die effektive numerische Apertur des Mikroskopobjektivs begrenzt und zu charakteristischen Phasenartefakten in den Bildern führt. Diese werden von Simulationsrechnungen reproduziert. Die Rechnungen zeigen, daß aus Beryllium gefertigte CRLs die störenden Phänomene in so viel schwächerem Ausmaß zeigen, daß sie Auflösungen um 100 nm erlauben werden.

Titel

Kurzfassung

Summary

The design, characterization, application, and study of possible performance improvement of a high-resolution X-ray microimaging and microtomography instrument at the undulator beamline ID 22 of the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, France, are reported. The instrument features a spatial resolution of below one micrometer (full width at half maximum of the detector line-spread function: 0.5 µm), detector linearity within less than 2 per cent, fast detector readout (approx. 100 ms) and low noise, and is optimized for the photon energy range between 10 and 30 keV. In addition to absorption contrast conventionally used in radiography, the coherence properties of the third-generation synchrotron-radiation beam give access to in-line phase contrast. Applications of the instrument are demonstrated that make use of its unique performance characteristics with respect to spatial resolution, contrast, and time resolution. Thus, a microtomography study of paper yields information both on the cellulose fiber network and on the structure of individual fibers. Phase contrast gives access to the structure of paper soaked in water, invisible in absorption contrast. In another study, the intense X-ray beam together with the low noise and fast readout of the detector allow time-resolved imaging of non-equilibrium growth processes in solidifying alloys. The studies are qualitatively unprecedented and rely crucially on the instrument characteristics. To further improve the performance of high-resolution X-ray imaging, the potential of using compound refractive lenses (CRLs) is investigated experimentally and by numerical simulations of image formation in Fresnel wave propagation, with computer code especially written for the purpose. X-ray lenses in imaging geometry may be used to obtain sharp images of objects far from the detector, without the degrading effects of Fresnel diffraction and penumbral blurring that occur in conventional radiography. Furthermore, with suitable geometry, the obtained image is magnified. In this way, imaging at spatial resolutions exceeding that of the detector, or hard X-ray microscopy, becomes possible. The experiments show that presently available CRLs, made of aluminum, can be used for beamline diagnostical imaging applications such as imaging of the source or of optical components that are not accessible to direct inspection. In microscopy applications, the first hard X-ray microscopic tomography is reported, demonstrating that the surface quality of the parabolic lenses is high enough to ensure the absence of image distortions. The resolution of the CRL tomograms is slightly better than 1 µm. Substantial further improvements in resolution are somewhat impaired by the absorption profile of the aluminum lenses, which limits the effective numerical aperture of the X-ray microscope and leads to specific phase artifacts in the micrographs. The simulations reproduce these artifacts and show that lenses made of beryllium will reduce if not eliminate the problem, so that CRL microscopy with a resolution of 100 nm can be envisioned.