Labor – Reflektometer für den soft X-Ray Bereich
Projektträger: |
Programm: |
EuroNorm GmbH |
INNO-KOM |
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Laufzeit:
Start : 01.09.2019
Ende: 31.01.2022
Ziel
Die Zielstellung für dieses Projekt ist die industrielle Entwicklung eines Labor (Table Top) Reflektometers für den weichen Röntgenbereich, um optische Elemente wie Spiegel, Multilayer-Spiegel, Mono- und Polykapillarlinsen, verschiedenste Gittertypen bis hin zur neusten Generation von 2D VLS Gittern (RZP) auf gekrümmten Substraten zu charakterisieren und deren Leistungsmerkmale zu bestimmen.
Beschreibung
Röntgenstrahlung, weiche wie harte, wird bereits zur Herstellung von Nanostrukturen (Mikroelektronik), sowie zur Untersuchungen der anorganischen und komplexen organischen Materie verwendet. Für die Entwicklung von neuen Werkstoffen und funktionellen Materialien müssen die strukturellen, dynamischen und funktionellen Zusammenhänge auf atomarer Ebene untersucht werden und verstanden sein, will man jene Technologie zukünftig gezielt zum Designen und Herstellen von optischen Bauelementen einsetzen. Besonders die Bereiche der kondensierten Materie und Lebenswissenschaften haben durch die technologischen Entwicklungen der letzten Jahre auf dem Gebiet der weichen Röntgenstrahlung neue “Werkzeuge” zur Untersuchung bereitgestellt bekommen. Zu dieser Entwicklung beigetragen haben hier im Wesentlichen die Bereitstellung der nächsten Generation von hoch brillanten Röntgenlichtquellen, wie Freien Elektronen Lasern (FEL) oder Linearbeschleunigern mit Energierückgewinnung (ERL). Parallel hierzu wurden aber auch kompakte Laborröntgenquellen wie Hohe Harmonische (HHG) oder lasergenerierte Plasmaquellen (LPP) entwickelt, die sich durch ihre Flexibilität und breite Einsetzbarkeit als Ergänzung zu den Großgeräten etablieren konnten. Nachteil ist jedoch, dass diese Laborquellen einen um mehrere Größenordnungen geringeren Röntgenphotonenfluss als Synchrotron- oder FEL–Quellen emittieren. Laborröntgenquellen können für orts- und zeitaufgelöste Strukturuntersuchungen verwendet werden und sind beispielsweise für “Pump-Probe” Experimente besonders gut geeignet, wo auf relativ einfache Weise der gepulste Treiberlaser mit dem Röntgenpuls synchronisiert werden kann (Jitter). Wesentliche Anwendungen sind XAS (X-ray absorption), XES (X-ray emission), RIXS (resonant inelastic X-ray scattering), XRF (fluorescence), XRD (diffraction) oder auch PES (Photoelektronenspektrokopie). Die Weiterentwicklung dieser Quellen erfolgt jedoch derzeit nur an Forschungseinrichtungen; es mangelt an kommerziellen Quellen. Auf dem Gebiet der weichen Röntgentechnik fehlt es ebenfalls an effizienten, hochauflösenden Optiken und Spektrometern, was weitere Fortschritte zusätzlich deutlich erschwert. Die Wellenlänge im weichen Röntgenbereich erstreckt sich von ca. 250 pm (~ 5 keV) bis 120 nm (~ 10 eV). Zudem ist der Absorptionsquerschnitt in diesem Energiebereich besonders hoch, wodurch diese Technologie ausschließlich im Vakuum umgesetzt werden kann. Diese Bedingungen und der erwähnte schwache Röntgenphotonenfluss der Laborquellen verlangen von der Herstellungstechnologie für hocheffiziente optische Elemente höchste Präzision und auch neue Fertigungstechniken, was derzeit an die Grenzen des technisch Machbaren stößt. Neue innovative Entwicklungen auf diesem Gebiet sind hier demnach zu erwarten, um die Bedürfnisse und Nachfragen befriedigen zu können. Ein essenzieller Aspekt ist hierbei die Qualitätssicherung; ohne eine effiziente, kostengünstige, zeitsparende und handhabbare Technologie, kann es auf diesem Gebiet keine kommerziellen Fortschritte geben und somit können auch keine neuen hocheffizienten und kostengünstigen optischen Elemente entwickelt und angeboten werden. Derzeit finden die Messungen für die Entwicklung von optischen Elementen und deren Qualitätskontrolle überwiegend an Großgeräten statt. Für die Bereitstellung von Strahlzeiten entstehen hohe Kosten und es ist ein erheblicher administrativer Aufwand erforderlich. Da es hier an Alternativen zu den Großgeräten mangelt, würde ein kommerzielles Laborgerät für die metrologischen Untersuchungen und Charakterisierungen von optischen Elementen ein Alleinstellungsmerkmal besitzen. Dieses Laborgerät ist nicht als Ersatz sondern vielmehr als sinnvolle und notwendige Ergänzung zu den Großanlagen zu verstehen, da jene Geräte nicht an die Qualität und Brillianz eines Synchrotrons oder FEL heranreichen werden, wohl aber für die meisten Qualitätsuntersuchungen und für Forschungs- und Entwicklungsarbeiten genutzt werden können.