基于脉冲气体射流的桌面激光诱导等离子体源软x射线显微镜

得益于碳和氧之间的高吸收对比度，“水窗”（λ=2.3–4.4 nm）光谱范围内的透射x射线显微镜是研究生物[1]和矿物学样品[2]的有力工具.使用菲涅耳波带片作为高放大物镜，已经实现了10 nm范围内的空间分辨率[3]。然而，到目前为止，此类研究几乎完全是在提供必要的高光子通量短波辐射的同步加速器源上进行的

为了使软x射线显微镜在日常使用中不需要等待时间，因为在大型设施中束时间有限，实验室规模的源基于气体放电[4]或激光产生的等离子体[5]已经被使用。特别是激光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射线显微镜在波长为2.88 nm的Helike氮的单色辐射“水窗”区域工作。它利用了一个几乎没有碎片，长期稳定的激光诱导等离子体源基于脉冲气体射流。

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、一个椭球聚光镜、一个菲涅耳波带片物镜和一个对软x射线辐射敏感的背照CCD相机组成。

由于软x射线在空气中的高吸收截面，实验在真空系统中进行，基本压力为1*10-6 mbar。激光诱导等离子体源已在别处详细描述[12]。它基于气体靶和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）过滤器（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，钛L边缘以下的辐射（λ=2.7 nm）也被吸收，确保在λ=2.88 nm波长下对样品进行单色辐照。等离子体的空间分布由针孔摄像机监测（针孔直径50µm）；在λ=2.88 nm处测量的氮等离子体尺寸为0.44*0.24 mm²（半高宽）。

{图2:λ = 2.88 nm(放大倍数250x，有效像素尺寸52nm, 18000脉冲，曝光时间60min)下的西门子星形软x射线显微照片。插图显示了在马恩单独记录的西门子星的中心部分。500 x。}

软x射线辐射由椭球体轴对称镀镍聚光镜（Rigaku，Inc.，焦距300 mm，镜长100 mm）收集并聚焦到物体平面。菲涅耳波带板物镜（ZonePlates Ltd.，直径190µm，最小波带宽度drn=30 nm，波带数量1580）使用高达500倍的放大率，将样品成像到软x射线敏感CCD相机（和或iKon-L SO型号DO936NOW-BN背光，13.5*13.5µm2像素大小，2048*2048像素）上

结果和讨论

为了评估软x射线显微镜在全视场(FOV≈50µm)的成像性能，首先记录西门子星形测试模式(NTTAT，模型ATN/XRESO-50)。相应的显微图(见图2)表明，在整个视场上几乎是均匀的照明。从图2的插图中可以看出，50 nm尺寸的西门子星的最小结构在各个方向上都能很好地分辨。

此外，对耐辐射聚外排菌进行了成像（见图3）：细菌的代表性结构非常明显。此外，还对其他富含铁的微生物进行了调查。由于其含铁量，与含碳物质相比，它们表现出更强的吸收能力。从水样中收集的地质胶体（德国中部/缅因河）显微镜下可见的项链状结构被认为是由生物碎片材料形成的。规则排列的孤立“孔”的间距约215nm，表明台式软x射线显微镜的高分辨率能力。

结论与展望

我们已经证明了桌面软x射线显微镜在2.88 nm波长下工作的可行性。它是基于气体靶产生的几乎无碎片、长期稳定的激光等离子体。目前，由于等离子体的亮度相对较低，低信噪比限制了其他因素，约50纳米尺寸的结构已经可以检测到。然而，所提出的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，可以使用重复频率更高(平均功率)和/或脉冲更短的激光器。由于激发程度较高，使用与目前使用的ns脉冲相同能量的ps激光脉冲可以在“水窗”范围[13]内将等离子体的亮度提高10倍以上。此外，通过使用更高的气体压力或筒形冲击方法提高粒子密度，可以使激光等离子体的亮度至少提高一个数量级[14]。这些改进将在未来被纳入系统，以减少记录显微照片的曝光时间，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。

承认

感谢德国schungsgemeinschaft在“Sonderforschungsbereich 755”“纳米级光子成像”(C04项目)中的资金支持。作者要感谢T. Salditt和J. Niemeyer(两所大学都是Göttingen)，因为他们激发了讨论。

参考文献

1. W. Meyer-Ilse, D. Hamamoto, A. Nair, S. A. Lelièvre, G. Denbeaux, L. Johnson, A. L. Pearson, D. Yager, M. A. Legros, C. A. Larabell, J. Microsc. 201, 395-403(2001)。
2. M. Juenger, V. Lamour, P. Monteiro, E. Gartner，和G. Denbeaux, J. Mater。科学。Lett. 22, 1335-1337(2003)。
3. W. Chao, P. Fischer, T. Tyliszczak, S. Rekawa, E. Anderson, and P. Naulleau, Opt. Express 20, 9777-9783(2012)。
4. M.Benk、K.Bergmann、D.Schäfer和T.Wilhein，Opt.Lett.332359-2361（2008）。
5. (2000)。
6. F. Barkusky, C. Peth, A. Bayer, K. Mann, J. Appl。中国科学(d辑:地球科学)。
7. A.Bartnik、H.Fiedorowicz、R.Jarocki、J.Kostecki、A.Szczurek和M.Szczurek，Appl。物理。B 96727-730（2009年）。
8. C. Peth, F. Barkusky和K. Mann, J. Phys。D::。中国科学:地球科学(英文版)。
9. M.Müller、T.Mey、J.Niemeyer和K.Mann，《选择快报》2223489-23495（2014）。
10. P. Wachulak, A. Torrisi, A. Bartnik, D. Adjei, J. Kostecki, L. Wegrzynski, R. Jarocki, M. szzurek, H. Fiedorowicz，应用。理论物理。b118, 573-578(2015)。
11. M. Müller, T. Mey, J. Niemeyer, M. Lorenz, K. Mann, AIP Conf. Proc. 1764, 030003(2016)。
12. S.Kranzusch和K.Mann，选择。公社。200, 223-230 (2001).
13. M. Müller, F. Kühl, P. groe ß Mann, P. Vrba, and K. Mann, Opt. Express 21, 12831-12842(2013)。
14. T. Mey, M. Rein, P. Großmann, and K. Mann, n.j. Phys. 14, 073045(2012)。