Een röntgenvrije-elektronenlaser (XFEL) is een röntgenstraal die wordt geproduceerd door een bundel vrije elektronen die bijna tot de lichtsnelheid zijn versneld. XFEL's produceren laserstralen met een buitengewoon hoge piekvermogensintensiteit, waardoor ze aantrekkelijk zijn voor toepassingen in fundamenteel onderzoek, zoals niet-lineaire röntgenoptica en bepaling van de eiwitkristalstructuur, en ook in de geneeskunde. Het is belangrijk om XFEL-stralen nauwkeurig te focussen om hoge prestaties te bereiken. Lasers worden meestal gefocusseerd met behulp van totale reflectiespiegels; echter, conventionele spiegels zijn ongeschikt voor de vorming van röntgenstralen van minder dan 10 nm, omdat dergelijke spiegels niet de vereiste grote numerieke apertuur kunnen leveren. Om deze beperking te overwinnen, Röntgenstralen kunnen worden gefocusseerd met behulp van meerlaagse spiegels. Helaas, het is moeilijk om dergelijke meerlagige spiegels te vervaardigen omdat een zeer hoge fabricagenauwkeurigheid vereist is.

Een samenwerking onder leiding van de Universiteit van Osaka heeft onlangs een nieuwe techniek ontwikkeld om ultranauwkeurige meerlaagse focusspiegels te vervaardigen met een vormnauwkeurigheid van minder dan 1 nm, die een XFEL-straal kan focussen tot een grootte van minder dan 10 nanometer.

"Om een ​​zeer gefocuste XFEL te bereiken, we hebben de bepaling van het golffront onderzocht met behulp van een röntgeninterferometer met één raster en directe vormcorrectie van de meerlaagse focusspiegels door een differentiële depositiemethode, ", zegt hoofdauteur Satoshi Matsuyama.

Het team vervaardigde eerst meerlaagse focusspiegels door middel van magnetronsputteren van platina en koolstof meerlagen. Het sputterproces werd nauwkeurig gecontroleerd met behulp van een eendimensionale scantafel en een computer. De gefabriceerde meerlagige spiegels werden geassembleerd tot een tweetraps bundelfocussysteem. Het golffront van een XFEL-straal nadat het door het bundelfocussysteem was gegaan, werd vervolgens gemeten met behulp van een roosterinterferometer om de aberratie van het golffront van het theoretische ideaal te bepalen, veroorzaakt door afwijking van de werkelijke spiegelvorm van het beoogde ontwerp.

De vorm van de focusseerspiegels werd vervolgens gecorrigeerd door differentiële depositie. De golffronten voor en na vormcorrectie werden vergeleken, waaruit bleek dat de correctie met succes de kwaliteit van de meerlaagse spiegels verbeterde om een ​​XFEL-bundelgrootte van minder dan tien nanometer te bieden.

"We verwachten dat meerlaagse focusspiegels die zijn vervaardigd volgens de benadering die in dit werk is vastgesteld, binnenkort beschikbaar zullen zijn voor gebruik in XFEL- en synchrotronstralingsfaciliteiten, ", zegt senior auteur Kazuto Yamauchi. "Zulke sterk gefocuste stralen zullen nieuwe grenzen openen in de röntgenwetenschap."

De hoge XFEL-intensiteit die wordt bereikt met behulp van de ontwikkelde ultranauwkeurige meerlaagse focusspiegels, zal naar verwachting de prestaties van ultramoderne röntgenanalyses met XFEL's verbeteren.