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Titel: Refractive Hard X-Ray Nanofocusing at Storage Ring and X-Ray Free-Electron Laser Sources
Sonstige Titel: Nanofokussierung harter Röntgenstrahlung an Speicherringquellen und Röntgen-Freie-Elekronen-Lasern mit Hilfe refraktiver Optiken
Sprache: Englisch
Autor*in: Seiboth, Frank
Schlagwörter: Röntgen; Ptychographie; Ronchi; Xray; Ptychography; Ronchi
GND-Schlagwörter: Röntgenlaser; Synchrotron; Brechung; Röntgenoptik; Röntgenlinse; Abbildungsfehler
Erscheinungsdatum: 2016
Tag der mündlichen Prüfung: 2016-03-22
Zusammenfassung: 
Nanofocused hard x-ray beams are an essential tool at modern synchrotron radiation facilities. Tightly focused probe beams are mandatory to reach highest resolution in various x-ray microscopy schemes mapping the local elemental composition, chemical state, or atomic structure. Achievable spatial resolution is typically limited by the probe size itself and the applied dose. Both parameters are strongly dependent on the focusing quality and efficiency of x-ray optics used. This thesis focuses on the improvement of refractive hard x-ray optics. A new lens design is introduced that facilitates the use of coating techniques to fabricate lenses. This enables one to exploit x-ray optically favorable materials like aluminum oxide that were inaccessible beforehand. Experimental results proof the working principle of this new lens design and demonstrate the feasibility of aluminum oxide as a suitable material for refractive x-ray optics.

In addition an aberration correction scheme based on a corrective phase plate, applicable to various x-ray optics, is presented. On the example of beryllium lenses spherical aberrations are characterized by means of ptychography. Based on this knowledge a corrective phase plate was designed and matched exactly to the specific optical element. It consists of fused silica and is machined by laser ablation. Experiments on different synchrotron radiation facilities are performed, demonstrating a reduction in the strength of spherical aberrations by an order of magnitude. The corrected optical element performs nearly at the diffraction limit, eliminating disadvantageous side lobes and increasing the peak intensity in the focal plane simultaneously. Benefits and possible new application fields for this aberration free, radiation hard, and efficient refractive hard x-ray optics are outlined.

Fokussierte harte Röntgenstrahlen im Nanometerbereich sind ein unentbehrliches Instrument an modernen Großforschungsanlagen mit Synchrotronstrahlung. Diese extrem stark fokussierten Nanosonden sind notwendig, um höchste räumliche Auflösung bei verschiedensten Techniken in der Röntgenmikroskopie zu erzielen. Dabei werden zum Beispiel die Elementzusammensetzung, chemische Zustände und atomare Strukturen lokal abgebildet. Die zu erreichende Auflösung ist durch die Fokusgröße an sich, als auch durch die verfügbare Dosis begrenzt. Beide Größen werden maßgeblich durch die verwendete Röntgenoptik beeinflusst. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der Verbesserung der Fokussiereigenschaften refraktiver Röntgenoptiken. In diesem Rahmen wurde ein neuartiges Linsenkonzept entwickelt. Es erlaubt die Verwendung von Beschichtungstechnologien zur Linsenherstellung und ermöglicht damit den Einsatz von Materialen wie Aluminiumoxid, die zuvor unzugänglich waren, mit sehr guten optischen Eigenschaften. Die Funktionalität des neuen Linsendesigns und die Eignung von Aluminiumoxid als Linsenmaterial werden experimentell untersucht.

Ein weiterer Gesichtspunkt dieser Arbeit ist die Beseitigung von Aberrationen in bereits vorhandenen Optiken mit Hilfe einer Phasenplatte. Am Beispiel von Berylliumlinsen werden zunächst sphärische Aberrationen hoch präzise mit der Methode der Ptychographie vermessen. Diese Daten werden anschließend verwendet, um eine exakt angepasste Phasenplatte zu konstruieren. Die Herstellung erfolgt aus Quarzglas mit Hilfe eines Kurzpulslasers durch Materialabtrag. Bei Experimenten an verschiedenen Synchrotronstrahlungsquellen konnte der Einfluss von sphärischen Aberrationen auf das Wellenfeld um eine Größenordnung reduziert werden. Die korrigierte Optik erzielt damit fast die nominelle Beugungsbegrenzung, was sich vor allem durch deutlich reduzierte Nebenmaxima und damit in einer erhöhten Maximalintensität im zentralen Fleck des Beugungsscheibchen äußert. Sich daraus ergebende Vorteile und neue Anwendungsmöglichkeiten dieser aberrationsfreien, strahlenharten und zugleich transparenten Röntgenoptik werden diskutiert.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/6736
URN: urn:nbn:de:gbv:18-78949
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Schroer, Christian G. (Prof. Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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