基于脉冲气体射流的桌面激光诱导等离子体源的软x射线显微镜

得益于碳和氧之间的高吸收对比，透射x射线显微镜在“水窗”光谱范围(λ = 2.3 - 4.4 nm)是研究生物[1]和矿物学样品[2]的有力工具。利用菲涅尔带片作为高放大物镜，在10 nm范围内实现了[3]的空间分辨率。然而，到目前为止，这类研究几乎只在提供所需的高光子通量短波辐射的同步加速器源上进行

为了使软x射线显微镜能够用于日常使用，而不必因大规模设施的束时间有限而等待时间，已使用了基于气体放电[4]或激光产生等离子[5]的实验室规模源。特别是激光产生的等离子体已经成功地应用于各个领域，从材料烧蚀和结构[6,7]到吸收光谱[8]和透射x射线显微镜[9-11]。在这里，最紧凑的软x射线显微镜展示了在“水窗”区域工作，来自Helike氮的单色辐射波长为2.88 nm。它利用了一种几乎无碎片的、长期稳定的基于脉冲气体射流的激光诱导等离子体源。

实验

桌面软x射线显微镜的设置如图1所示。它基本上由一个激光诱导等离子体源、一个椭球形聚光镜、一个菲涅尔带板物镜和一个对软x射线辐射敏感的背光CCD相机组成。

由于软x射线在空气中的高吸收截面，实验在基础压力为1*10-6 mbar的真空系统中进行。激光诱导等离子体源已在别处详细描述[12]。它是基于一个气体靶和一个Nd:YAG激光系统(Quantel，波长1064 nm，脉冲能量600 mJ，脉冲持续时间10 ns，重复频率5 Hz)。氮等离子体发出的辐射由钛(Ti)滤光片(厚度200 nm)过滤，以阻挡带外辐射，如可见光或散射激光辐射。此外，Ti l边缘(λ = 2.7 nm)以下的辐射也被吸收，保证了样品在λ = 2.88 nm波长处的单色辐照。用针孔摄像机(针孔直径50 μ m)监测等离子体的空间分布;λ = 2.88 nm处的氮等离子体尺寸为0.44*0.24 mm²(FWHM)。

{图2:西门子星的软x射线显微照片，λ = 2.88 nm记录(放大倍率250倍，有效像素大小52 nm, 18000脉冲，曝光时间60分钟)。插图显示西门子星的中心部分分别记录在马格恩。500 x。}

软x射线辐射被椭球、轴对称镀镍聚光镜(Rigaku, Inc.，焦距300毫米，镜长100毫米)收集和聚焦到目标平面。菲涅耳区板物镜(ZonePlates Ltd.，直径190 μ m，最小区宽drn = 30 nm，区数1580)将样品成像到软x射线敏感CCD相机(Andor iKon-L SO型号do936现在- bn背光，13.5*13.5 μ m2像素大小，2048*2048像素)，放大倍数可达500倍

结果与讨论

为了评估软x射线显微镜在全视场(FOV≈50 μ m)上的成像性能，首先记录了西门子星测试图(NTTAT，型号ATN/XRESO-50)。相应的显微照片(见图2)表明在全视场上几乎均匀的照明。从图2的插图中可以看出，西门子星的最小结构尺寸为50纳米，在所有方向上都得到了很好的解析。

进一步，我们对多嗜极细菌耐辐射球菌(Deinococcus radiodurans)进行了成像(见图3):该细菌的代表性结构清晰可见。另外还对其他富铁微生物进行了研究。由于它们的铁含量，与含碳材料相比，它们表现出更强的吸收率。从一个水样(梅因河/德国中部)收集的地胶体进行了检测，显示出微结构和不规则颗粒。显微照片下部可见的项链状结构被认为来自生物碎片材料。规则排列的孤立“孔”的间距约为215纳米，表明桌面软x射线显微镜的高分辨率能力。

结论与展望

我们已经证明了在2.88 nm波长下工作的桌面软x射线显微镜的可行性。它是基于几乎无碎片，长期稳定的激光等离子体产生在一个气体目标。目前，由于等离子体的亮度相对较低，导致信噪比较低，除了其他因素外，大约50纳米大小的结构已经被检测到。然而，该系统为光子通量的可扩展性提供了各种机会，这在过去已经分别进行了研究。首先，可以采用更高重复率(平均功率)和/或更短脉冲的激光器。由于激发程度更高，使用与目前使用的ns脉冲相同能量的ps激光脉冲可以将等离子体的亮度提高10倍以上，在“水窗”范围[13]。此外，通过使用更高的气体压力或桶激波方法来提高粒子密度，可以使激光等离子体的亮度至少提高一个数量级[14]。这种改进将来将纳入系统，以减少显微照片记录的曝光时间，从而保持显微镜的紧凑性，特别是软x射线源的固有洁净度。

鸣谢

感谢“Sonderforschungsbereich 755”“纳米尺度光子成像”(C04项目)中的“Deutsche Forschungsgemeinschaft”的财政支持。作者感谢T. Salditt和J. Niemeyer(都是大学，Göttingen)激发了讨论。

参考文献

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