Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3570
Main Title: Soft X-ray Tomoholography
Translated Title: Tomographische Holographie mit weichen Röntgenstrahlen
Author(s): Gührs, Erik
Advisor(s): Eisebitt, Stefan
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Fouriertransformröntgenholographie (FTH) ist ein linsenloses Abbildungsverfahren. In der Vergangenheit wurde es vor allem dafür genutzt, magnetische und biologische Proben mit einer Auflösung von bis zu 40 nm abzubilden. Die relative Phaseninformation der zu untersuchenden Probe wird mittels Interferenz im Hologramm codiert. Dafür wird die von der Probe gestreute Objektwelle mit einer bekannten Referenzwelle überlagert. Das ermöglicht es, mit einer einfachen Fouriertransformationen ein Abbild der Probe zu rekonstruieren. Normalerweise wird FTH umgesetzt, indem ein feststehendes Maskendesign verwendet wird. Dort ist die Probe starr mit der Holographiemaske verbunden und die Referenzwelle wird durch eine kleine Apertur erzeugt. Mit diesem Aufbau ist es allerdings nicht möglich, Proben abzubilden, die die Größe des Sichtfeldes überschreiten, da beides fixiert ist. Weiterhin können damit keine dreidimensionalen Abbildungen von Proben aufgenommen werden. Das liegt an dem hohen Aspektverhältnis des Referenzloches (typischerweise 1:10), da hierdurch die Transmission durch das Referenzloch schon bei kleinen Drehungen blockiert wird. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung der FTH, indem das Sichtfeld vergrößert und ein Probendesign entwickelt wird, das es ermöglicht, dreidimensionale Tomogramme aufzunehmen. Die Beschränkung des Sichtfeldes kann beseitigt werden, indem die Probe von der Holographiemaske entkoppelt wird. Dafür wird die Probe auf einer für Röntgenstrahlen transparenten Siliziumnitridmembran präpariert. Holographiemaske und Probenmembran können nun gegeneinander verschoben und Hologramme an unterschiedlichen Probenpositionen aufgenommen werden. Allerdings tritt praktisch immer ein kleiner Spalt zwischen Maske und Membran auf. Wenn dieser Spalt nun größer als die Schärfentiefe ist, liegt die erhaltene Bildrekonstruktion außerhalb des Fokus. Das kann korrigiert werden, indem das Wellenfeld in die Fokusebene propagiert wird. Dieses Konzept ist erfolgreich angewendet und der Einfluss des Spaltes auf die Bildqualität systematisch untersucht worden. An Stelle einer kleinen Apertur kann eine kleine Goldkugel auf einer transparenten Siliziumnitridmembran verwendet werden, um die Referenzwelle zu erzeugen. Das ermöglicht es, die gesamte Probe zu drehen, um einen tomographischen Datensatz einer Probe aufzunehmen und ein dreidimensionales Bild zu berechnen. Als Testprobe wurde eine Kieselalge verwendet und deren dreidimensionale Struktur rekonstruiert. Damit konnte erstmals ein Tomogramm mittels FTH aufgenommen werden. Weiterhin wurde die Goldkugel durch ausgedehnte Referenzstrukturen ersetzt (ein codiertes Array aus Platinpunkten sowie ein Schlitz in einer Goldmembran), die es ebenfalls ermöglichen, die Probe zu drehen und einen tomographischen Datensatz aufzunehmen. Beide Referenzstrukturen sind weniger anfällig gegenüber Signalrauschen als eine einzelne Goldkugel. Das ist insbesondere dann von Vorteil, wenn entweder der Photonenfluss limitiert ist oder die Probe vor Strahlenschäden geschützt werden muss. Beide alternativen Referenzstrukturen wurden genutzt, um einen tomographischen Datensatz einer Testprobe zu messen und um dreidimensionale Bilder der Probe zu rekonstruieren.
Soft X-ray Fourier transform holography (FTH) is a lensless imaging technique. In the past, it has been mostly used to image magnetic samples as well as biological specimens with a lateral resolution up to 40 nm. Through the interference of the object's scattered wave with a known reference wave the relative phase information is encoded as intensity modulation in the hologram. This allows for the obtaining of a real space image of the sample by a simple Fourier transform of the hologram. Usually, FTH with soft X-rays is realized by using a fixed mask-sample design where the sample is rigidly connected to the holographic mask and the reference wave is produced by a small pinhole. With this setup it is not possible to image samples which are larger than the field of view as it is fixed. Furthermore, this design doesn't allow for the recording of a three dimensional tomographic dataset. This is due to the high aspect ratio of the reference hole (typically 1:10) which blocks X-rays already at small rotation angles. This thesis deals with the development of FTH by increasing the field of view as well as making it possible to record tomograms. The field of view restriction can be overcome by the separation of the sample from the holographic mask. To this end, the sample is prepared on a X-ray transparent silicon nitride membrane. The holographic mask and the sample membrane can now be moved with respect to each other. This allows the imaging of larger samples by taking holograms at several sample positions. A small gap between mask and membrane usually exists. If this gap is larger than the depth of field, the holographic image reconstruction is out of focus. A wave field propagation based approach to correct for this effect is designed and successfully tested. The limitations of this approach are investigated. In particular for high resolution FTH with variable field of view, the approach turns out to be crucial. A small gold sphere on a transparent silicon nitride membrane can be used to produce the reference wave instead of a small aperture. This geometry makes it possible to rotate the sample reference structure. A complete dataset of two dimensional projections can be recorded to compute a three dimensional tomogram of the sample. The approach is successfully established using a diatom test sample where the 3D structure is reconstructed. This constitutes the first X-ray tomogram recorded via FTH. Furthermore, the gold sphere is replaced by extended reference structures (coded platinum dot array and a thin slit milled trough a gold membrane), which also allows to rotate the sample to record a tomographic dataset. Both reference structures are more robust against noise than a single gold sphere. This is advantageous when the photon flux is limited or the sample has to be protected from radiation damage. Both alternative reference structures are successfully used to record tomographic datasets of a test sample. On this basis two 3D tomograms are calculated.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-39414
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3867
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3570
Exam Date: 20-Mar-2013
Issue Date: 24-Apr-2013
Date Available: 24-Apr-2013
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Holographie
Tomography
Weiche Röntgenstrahlen
Holography
Soft X-rays
Tomography
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/
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