“个别实验室的X射线实验设备不断发展，并获得普及...选择正确的应用适当的相机将是充分利用这些新设置的好处的必要条件。”

介绍

如许多科学和商业技术的情况，用于执行前沿学术和工业研究的x射线成像和光谱仪器越来越小，更具成本效益，在某种意义上更具个性化。多年来，广泛学科的研究人员日常工作依赖于软X射线能量，不得不安排在大型高亮度x射线源进行会议，以进行关键实验。¹在这些昂贵的“操作共享资源（例如，第三代和第四代同步加速器和x射线自由电子激光器）仍然是一种珍贵的商品。

然而，高次谐波发生（HHG）仪器的出现正在为希望在软x射线能量体系中进行各种成像和光谱实验的研究人员重新形成景观。 HHG光源补充大规模同步加速器和X射线自由电子激光（XFEL）源;使用桌面HHG光源进行X射线应用的主要优点是更容易获得，对亚飞秒级别的完全可同步性和阿秒时间分辨率。^2,3

先进的电子学，纳米科学，半导体，材料科学，聚合物科学，生物技术和生命科学应用可以从桌面HHG光源与X射线成像/光谱检测器配对中受益，以促进实验技术，如相干X射线衍射成像（即，透镜X射线成像），x射线吸收精细结构（XAFS）光谱，近边X射线吸收精细结构（NEXAFS）光谱和极紫外（EUV）光谱学。^2-7

本应用笔记将介绍研究人员在光子科学研究所（ICFO）的Jens Biegert教授的Attoscience和超快光学组织研究人员进行的最近的工作，该研究所开发/利用了与普林斯顿仪器公司（Princeton Instruments x）合作的台式阿托品HHG光源-ray CCD照相机，用于在所谓水窗的聚碳酸酯箔的碳K边缘上显示NEXAFS光谱，并检索对应于箔中碳原子的结合轨道的特定吸收特征。

实验装置

碳，氮和氧的K吸收边缘发生在通常被称为水窗的水中，水是几乎透明的波长范围（2.3nm-4.5nm）。由于这些因素中的每一个都是生命的根本，所以在水景窗口中越来越复杂的观察结果的能力对许多不同领域的生物学家，化学家和物理学家进行的前沿研究至关重要。⁵

直到最近，这些观察依赖于大规模，高亮度来源的利用。来自巴塞罗那ICFO的上述研究小组是世界各地的许多团体^2,6，他们正在实施桌面HHG仪器作为一种紧凑，具有成本效益的替代方案。

例如，ICFO组开发了桌面HHG光源，以在聚酰亚胺箔上进行高分辨率X射线吸收光谱。它们的源头依赖于高度稳定的千赫兹激光系统，其驱动具有随后的中空纤芯脉冲压缩的光参量放大器，并且导致具有亚2周期载波包络相稳定（CEP稳定）激光脉冲，其具有中心波长1.85μm;该源产生的高次谐波已经达到高达535 eV的光子能量，远远超过了碳K边缘.^4,5

该组采用二次谐波产生频率分辨光栅（FROG）来测量压缩脉冲，并通过聚焦CEP稳定的二次二次脉冲来实现水窗中的亮软X射线通量和535 eV截止将一个f = 100毫米镀银曲面镜放入HHG目标。谐波谱用X射线光谱仪和冷却的普林斯顿仪器PIXIS-XO x射线CCD照相机进行分辨.4参考图1和2.研究人员将其X射线光谱仪的分辨率测量为300 eV时的0.25 eV 。

图1使用台式HHG光源和科学X射线CCD照相机，ICFO研究组对NEXAFS光谱的实验装置的插图。 由Jens Biegert教授（巴塞罗那光子科学研究所）提供。

图2包含普林斯顿仪器PIXIS-XO相机的图1所示实验装置的照片。 由Jens Biegert教授（巴塞罗那光子科学研究所）提供。

结果

ICFO的研究人员通过扫描0至7巴氖的目标背压来优化谐波通量。 图3显示了以每个频谱0.25巴的步长对HHG谱（对于给定背景压力）积分5秒的结果; 它清楚地表明，远远超过284eV碳K边缘的截止被获得，并且在3.5巴4的背压下达到最高产量（连同最高截止值）。⁴

图3 HHG光谱作为氖背压的函数。 最高谐波产量与3.5巴背压下的最高截止值一致.4采用PIXIS-XO相机获取数据。

 由Jens Biegert教授（巴塞罗那光子科学研究所）提供。 首次发表在Opt. Lett. 39，5383-5386（2014）。

通过测量X射线光束光泽和光子通量来研究目标的最佳压力，对光谱形状进行CEP控制。这种控制被证明对于避免在整合NEXAFS频谱的同时从射击到射击的前后边缘结构的潜在过平均是至关重要的。⁴

HHG光源的光子通量在水窗中是最高的，更重要的是它对应于第一次隔离的355次阿秒时间的软X射线脉冲。吸收光谱学的关键是光谱稳定性，这是通过CEP稳定性确保的激光源^3，4 。ICFO研究组随后展示了其桌面HHG光源在200nm独立聚酰亚胺膜上进行碳K边缘NEXAFS光谱的实用性。图4显示了在5分钟内采集的吸收光谱，其中碳K边缘周围的所有峰都清晰可见，并且可以从聚酰亚胺中的已知轨道识别。⁴

图4 200nm自立聚酰亚胺箔（红色圆圈）的NEXAFS测量。 已知转换（蓝色）的峰值与测量非常吻合（黑色曲线）.4使用PIXIS-XO摄像机获取从单个5分钟积分中提取的数据。 由Jens Biegert教授（巴塞罗那光子科学研究所）提供。 首次发表在Opt. Lett. 39，5383-5386（2014）。

该HHG仪器是水窗中首次报道的高通量桌面相干X射线辐射源，其在300 eV处达到（1.85±0.12）×107光子/秒/ 1％带宽的光子通量，第一个孤立的阿秒在这个政权中的脉搏。^3,4

启用技术

巴塞罗那研究团队使用的普林斯顿仪器PIXIS-XO科学摄影机采用冷却式背照式CCD，无反射涂层，以便于直接检测超低能量X射线。 除了相机的软件可选择的增益和读数速度之外，具有高真空接口设计的可旋转拼接法兰使得PIXIS-XO成为超高真空应用的绝佳选择。

普林斯顿仪器公司（Princeton Instruments）提供各种摄像机，用于直接检测软X射线（见图5），不仅包括PIXIS-XO，而且还包括PIXIS-XB，它使用薄的铍窗进行真空密封，用于深层冷却， 保护其背照式深度耗尽CCD，并通过过滤低能x射线降低背景。

另一台普林斯顿仪器科学X射线CCD摄像机PI-MTE实现了一种热电冷却设计，利用与冷却液循环热连接的PCB，以便在真空室内提供可靠的操作。 PI-MTE相机的紧凑尺寸和柔性管允许检测器在有限的空间或可移动臂上定位。

图5普林斯顿仪器公司的PI-MTE，PIXIS-XB和PIXIS-XO科学X射线CCD照相机旨在便于直接检测软X射线

对于需要最大灵敏度和使用更长曝光时间的低通量应用，普林斯顿仪器PyLoN®-XO科学X射线摄像机（见图6）可以通过液氮对背照式深度耗尽CCD进行深度冷却 并配备了一个混合法兰。

图6普林斯顿仪器公司的PyLoN-XO科学X射线CCD摄像机专为低通量的软X射线应用而设计。

未来的趋势

ICFO研究人员成功使用台式HHG仪器在水窗内进行碳K边缘NEXAFS光谱，体现了先进的x射线技术的相干X射线辐射源的小型化和个性化趋势。该组最新发布的HHG功能结果，水窗中阿秒秒软X射线脉冲的时空分离，³表明了技术进步的又一重大进展。

远东6到远西2的研究人员正在设计和利用各种桌面HHG光源来满足自己的特定X射线成像和光谱要求。除了与大规模，先进的同步加速器和XFEL源相比，这些紧凑的HHG仪器具有明显的成本和获取优势，开始提供优越的时间分辨率。此外，HHG的相干X射线衍射成像能够在传输和反射中产生定量，高对比度相位和幅度图像，以及三维探测动态现象，²为表面扫描技术（如原子力显微镜）提供了强大的补充。

科学X射线CCD相机，如普林斯顿仪器公司的PIXIS-XO，PIXIS-XB，PI-MTE和PyLoN-XO，确保与桌面HHG仪器的持续进步相匹配所需的灵敏度，速度和灵活性。而随着个别实验室的x射线实验设备的不断发展和普及，选择正确的应用适当的相机将充分利用这些新设置的优势势在必行。

参考文献 

1.Coherent x-ray diffraction imaging. Princeton Instruments Application Note (2009). 

2.Adams D.E., Wood C.S., Murnane M.M., and Kapteyn H.C. Tabletop high harmonics illuminate the nano-world. LFW, 38–41 (2015).

3.Silva F., Teichmann S., Cousin S.L., Hemmer M., and Biegert J. Spatiotemporal isolation of attosecond soft x-ray pulses in the water window. Nat. Commun. 6 (2015). 

4.Cousin S.L., Silva F., Teichmann S., Hemmer M., Buades B., and Biegert J. High-flux table-top soft x-ray source driven by sub-2-cycle, CEP stable, 1.85-μm 1-kHz pulses for carbon K-edge spectroscopy. Opt. Lett. 39, 5383–5386 (2014).

5.Cousin S.L., Silva F., Teichmann S., Hemmer M., and Biegert J. Molecular fine structure from water window x-rays. OPN, 58 (2014).

6.Sung H., Kim Y.S., Cho W.J., Kim Y.T., Kim J.H., Lee S., and Jhon Y.M. Coherent EUV light source by high harmonic generation for EUV metrology. Recent Advances in Telecommunications and Circuits, 34–36, World Scientific and Engineering Academy and Society Press (2013). ISBN: 978-960-474-308-7

7.Coherent diffraction microscopy and its applications in nanoscience and biology. (accessed online Aug. 2015) 

文章来源Princeton Instruments