Wetenschap
Nieuwe spiegel die flexibel kan worden gevormd verbetert röntgenmicroscopen
Een team van onderzoekers in Japan heeft een spiegel voor röntgenstraling ontworpen die flexibel kan worden gevormd, wat resulteert in opmerkelijke precisie op atomair niveau en verhoogde stabiliteit.
De nieuwe technologie ontwikkeld door Satoshi Matsuyama en Takato Inoue aan de Graduate School of Engineering van de Universiteit van Nagoya, in samenwerking met RIKEN en JTEC Corporation, verbetert de prestaties van röntgenmicroscopen en andere technologieën die röntgenspiegels gebruiken. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Optica .
Een röntgenmicroscoop is een geavanceerd beeldvormingshulpmiddel dat de kloof overbrugt tussen elektronen- en lichtmicroscopie. Het maakt gebruik van röntgenstralen, die een betere resolutie kunnen bieden dan licht en monsters kunnen binnendringen die te dik zijn om door elektronen te kunnen binnendringen. Hierdoor kunnen structuren in beeld worden gebracht die moeilijk te zien zijn met andere microscopietechnieken.
Röntgenmicroscopen hebben een hoge resolutie, waardoor ze bijzonder waardevol zijn op gebieden als materiaalkunde en biologie, omdat ze de samenstelling, chemische toestand en structuur in een monster kunnen waarnemen.
Spiegels spelen een cruciale rol in röntgenmicroscopen. Ze reflecteren röntgenstralen, waardoor beeldvorming met hoge resolutie van complexe structuren mogelijk is. Afbeeldingen van hoge kwaliteit en nauwkeurige metingen zijn een noodzaak, vooral op geavanceerde wetenschappelijke gebieden zoals katalysator- en batterij-inspecties.
De kleine golflengte van röntgenstralen maakt ze echter kwetsbaar voor vervorming door kleine fabricagefouten en omgevingsinvloeden. Hierdoor ontstaan golffrontaberraties die de beeldresolutie kunnen beperken. Matsuyama en zijn medewerkers hebben dit probleem opgelost door een spiegel te maken die kan vervormen, waarbij de vorm wordt aangepast aan het gedetecteerde röntgengolffront.
Om hun spiegel te optimaliseren, keken de onderzoekers naar piëzo-elektrische materialen. Deze materialen zijn nuttig omdat ze kunnen vervormen of van vorm kunnen veranderen wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd. Hierdoor kan het materiaal zichzelf opnieuw vormgeven en reageren op zelfs kleine afwijkingen in de gedetecteerde golf.
Na verschillende verbindingen te hebben overwogen, kozen de onderzoekers een enkel kristal van lithiumniobaat als hun vormveranderende spiegel. Eenkristallithiumniobaat is nuttig in röntgentechnologie omdat het kan worden uitgezet en samengetrokken door een elektrisch veld en kan worden gepolijst om een sterk reflecterend oppervlak te maken. Hierdoor kan het zowel als actuator als als reflecterend oppervlak dienen, waardoor het apparaat eenvoudiger wordt.
"Conventionele röntgenvervormbare spiegels worden gemaakt door een glassubstraat en een PZT-plaat met elkaar te verbinden. Het verbinden van ongelijksoortige materialen is echter niet ideaal en resulteert in instabiliteit", aldus Matsuyama.
"Om dit probleem op te lossen, hebben we een piëzo-materiaal met één kristal gebruikt, dat uitzonderlijke stabiliteit biedt omdat het is gemaakt van een uniform materiaal zonder binding. Dankzij deze eenvoudige structuur kan de spiegel vrijelijk worden vervormd met atomaire precisie. Bovendien bleef deze precisie behouden gedurende zeven uur, wat de extreem hoge stabiliteit bevestigt."
Toen ze hun nieuwe apparaat testten, ontdekte het team van Matsuyama dat hun röntgenmicroscoop de verwachtingen overtrof. De hoge resolutie maakt hem bijzonder geschikt voor het observeren van microscopisch kleine objecten, zoals componenten van halfgeleiderapparaten.
Vergeleken met de ruimtelijke resolutie van conventionele röntgenmicroscopie (doorgaans 100 nm), heeft hun techniek het potentieel om een microscoop te ontwikkelen die een resolutie biedt die ongeveer 10 keer beter is (10 nm), omdat de aberratiecorrectie deze dichter bij de ideale resolutie brengt.
"Deze prestatie zal de ontwikkeling bevorderen van röntgenmicroscopen met hoge resolutie, die beperkt waren door de precisie van het fabricageproces", aldus Matsuyama.
"Deze spiegels kunnen worden toegepast op andere röntgenapparatuur, zoals lithografieapparatuur, telescopen, CT in de medische diagnostiek en de vorming van röntgennanobundels."