使用新型单色光学元件的“柔”X射线

到目前为止，在1.5-5.0 keV的能量范围内使用X射线进行高灵敏度和高空间分辨率的测量非常困难。然而，这种X射线非常适合检查生物系统和产生能量的组件，如电池或催化剂。

在 BESSY-II 的 U41-PGM1光束线上，基于多层涂层发光平面光栅和反射镜来提高柔 X 射线光子能量范围(1.5-5.0 keV)的光子通量的新型单色器概念的示意图。插图显示了 Cr/C 多层发光光栅结构截面的 TEM 图像。为了更好地显示光栅周期，图像被水平压缩10倍。图片来源: HZB/Small Method 2022.12.5.

据 HZB 的一个团队称，新研制的单色光学器件将柔能量范围内的光子通量提高了100倍，从而能够对纳米结构系统进行极其精确的测量，该团队现在已经找到了解决这一问题的办法。在催化活性纳米粒子和微芯片上，首次对该技术进行了成功的测试。

能量转换生产过程需要大量材料，如催化活性材料和新的电池电极，以产生气候中性的能源供应。这些材料中,纳米结构的存在提高了它们的功能性。

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在分析这些样品时，高分辨率纳米级X射线成像和光谱测量识别化学性质的效果最好。

但到目前为止，还有一个重要的问题：这些材料的重要组成部分，如钼、硅或硫，主要在所谓的“柔”光子能量范围内对 X 射线发生反应。

这是因为来自平面光栅或晶体单色器的传统X射线光学器件仅在强X射线和弱X射线之间的“柔”能量范围内提供非常低的效率。此问题现已由 HZB 团队解决。

德国柏林亥姆霍兹中心光学与光束系高级科学家Frank Siewert表面：“我们开发了一种新型的单色光学器件，这种光学器件是基于一种自适应的带有平面镜的多层涂层锯齿光栅。”

新的单色器概念将敏感 X 射线范围内的光子通量乘以100，首次实现进行高分辨率的极其灵敏的光谱显微镜测量。

柏林亥姆霍兹中心 X 射线显微镜系物理学家Stephan Werner说：“在很短的时间内，我们就能够从纳米级的 NEXAFS 光谱显微镜中收集数据。我们已经在催化活性纳米颗粒和现代微芯片结构上证明了这一点。这项新的发展使得原本需要数月数据收集的实验成为可能。”

HZBX射线显微镜部门负责人Gerd Schneider表示：“这种单色器将成为该X射线能量范围内成像的首选方法，不仅是在全球同步加速器上，而且在自由电子激光器和实验室源上。

他预计这将对广泛的材料研究领域产生深远影响，包括敏感X射线范围的研究，这些研究可以显著推动能源材料的发展，从而有助于为电力和其他形式的能源提供气候中和的解决方案。

参考文献

Werner, S., et al. (2022) Spectromicroscopy of Nanoscale Materials in the Tender X-Ray Regime Enabled by a High Efficient Multilayer-Based Grating Monochromator. Small Methods. doi:10.1002/smtd.202201382.

来源: https://www.helmholtz-berlin.de/index_en.ht