Based on the author's thesis (Ph. D.)--University of Minnesota, 1998. / Caption title; description based on t.p. screen of 2009-09-06. Originally published by Gutenberg-e: www.gutenberg-e.org. Includes bibliographical references.

The aim of this work was the generation of carbon materials with high surface area, exhibiting a hierarchical pore system in the macro- and mesorange. Such a pore system facilitates the transport through the material and enhances the interaction with the carbon matrix (macropores are pores with diameters > 50 nm, mesopores between 2 – 50 nm). Thereto, new strategies for the synthesis of novel carbon materials with designed porosity were developed that are in particular useful for the storage of energy. Besides the porosity, it is the graphene structure itself that determines the properties of a carbon material. Non-graphitic carbon materials usually exhibit a quite large degree of disorder with many defects in the graphene structure, and thus exhibit inherent microporosity (d < 2nm). These pores are traps and oppose reversible interaction with the carbon matrix. Furthermore they reduce the stability and conductivity of the carbon material, which was undesired for the proposed applications. As one part of this work, the graphene structures of different non-graphitic carbon materials were studied in detail using a novel wide-angle x-ray scattering model that allowed precise information about the nature of the carbon building units (graphene stacks). Different carbon precursors were evaluated regarding their potential use for the synthesis shown in this work, whereas mesophase pitch proved to be advantageous when a less disordered carbon microstructure is desired. By using mesophase pitch as carbon precursor, two templating strategies were developed using the nanocasting approach. The synthesized (monolithic) materials combined for the first time the advantages of a hierarchical interconnected pore system in the macro- and mesorange with the advantages of mesophase pitch as carbon precursor. In the first case, hierarchical macro- / mesoporous carbon monoliths were synthesized by replication of hard (silica) templates. Thus, a suitable synthesis procedure was developed that allowed the infiltration of the template with the hardly soluble carbon precursor. In the second case, hierarchical macro- / mesoporous carbon materials were synthesized by a novel soft-templating technique, taking advantage of the phase separation (spinodal decomposition) between mesophase pitch and polystyrene. The synthesis also allowed the generation of monolithic samples and incorporation of functional nanoparticles into the material. The synthesized materials showed excellent properties as an anode material in lithium batteries and support material for supercapacitors. / Kohlenstoffmaterialien finden aufgrund ihrer Vielseitigkeit heute in den unterschiedlichsten Bereichen des täglichen Lebens ihren Einsatz. Bekannte Beispiele sind Kohlenstofffasern in Verbundwerkstoffen, Graphit als trockenes Schmiermittel, oder Aktivkohlen in Filtersystemen. Ferner wird Graphit als Elektrodenmaterial auch in Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Wegen knapper werdender Ressourcen von Öl und Gas wurde in den letzten Jahren verstärkt an der Entwicklung neuer Materialien für die Speicherung von Wasserstoff und elektrischer Energie gearbeitet. Die Nanotechnologie ist dabei auch für neue Kohlenstoffmaterialien zukunftsweisend, denn sie stellt weitere Anwendungsmöglichkeiten in Aussicht. In dieser Arbeit wurden hierzu mittels des sogenannten Nanocastings neue Kohlenstoffmaterialien für Energieanwendungen, insbesondere zur Speicherung von elektrischer Energie entwickelt. Die Eigenschaften eines Kohlenstoffmaterials beruhen im Wesentlichen auf der Struktur des Kohlenstoffs im molekularen Bereich. Die in dieser Arbeit hergestellten Materialen bestehen aus nichtgraphitischem Kohlenstoff und wurden im ersten Teil der Arbeit mit den Methoden der Röntgenstreuung genau untersucht. Eine speziell für diese Art von Kohlenstoffen kürzlich entwickelte Modellfunktion wurde dazu an die experimentellen Streubilder angepasst. Das verwendete Modell basiert dabei auf den wesentlichen Strukturmerkmalen von nichtgraphitischem Kohlenstoff und ermöglichte von daher eine detaillierte Beschreibung der Materialien. Im Gegensatz zu den meisten nichtgraphitischen Kohlenstoffen konnte gezeigt werden, dass die Verwendung von Mesophasen-Pech als Vorläufersubstanz (Precursor) ein Material mit vergleichsweise geringem Grad an Unordnung ermöglicht. Solch ein Material erlaubt eine ähnlich reversible Einlagerung von Lithium-Ionen wie Graphit, weist aber gleichzeitig wegen des nichtgraphitischen Charakters eine deutlich höhere Speicherfähigkeit auf. Zur Beschreibung der Porosität eines Materials verwendet man die Begriffe der Makro-, Meso-, und Mikroporen. Die Aktivität eines Materials kann durch die Erhöhung der Oberfläche noch erheblich gesteigert werden. Hohe Oberflächen können insbesondere durch die Schaffung von Poren im Nanometerbereich erzielt werden. Um die Zugänglichkeit zu diesen Poren zu steigern, weist ein Material idealerweise zusätzlich ein kontinuierliches makroporöses Transportsystem (Porendurchmesser d > 50 nm) auf. Solch eine Art von Porosität über mehrere Größenordnungen wird allgemein als „hierarchische Porosität“ bezeichnet. Für elektrochemische Anwendungen sind sogenannte Mesoporen (d = 2 – 50 nm) relevant, da noch kleinere Poren (Mikroporen, d < 2 nm) z.B. zu einer irreversiblen Bindung von Lithium- Ionen führen können. Wird Mesophasen-Pech als Kohlenstoffprekursor verwendet, kann die Entstehung dieser Mikroporen verhindert werden. Im zweiten und dritten Teil der Arbeit konnte mit den Methoden des „Nanocastings“ zum ersten Mal die spezielle Struktur des Mesophasen-Pech basierenden Kohlenstoffmaterials mit den Vorteilen einer hierarchischen (makro- / meso-) Porosität kombiniert werden. Im ersten Syntheseverfahren wurde dazu ein sogenanntes „hartes Templat“ mit entsprechender Porosität aus Siliziumdioxid repliziert. Aufgrund der hohen Viskosität des Pechs und der geringen Löslichkeit wurde dazu ein Verfahren entwickelt, das die Infiltration des Templates auch auf der Nanometerebene ermöglicht. Das Material konnte in Form größerer Körper (Monolithen) hergestellt werden, die im Vergleich zu Pulvern eine bessere technische Verwendung ermöglichen. Im zweiten Syntheseverfahren konnte die Herstellung eines hierarchisch makro- / mesoporösen Kohlenstoffmaterials erstmals mittels eines weichen Templates (organisches Polymer) erreicht werden. Die einfache Entfernung von weichen Templaten durch eine geeignete Temperaturbehandlung, macht dieses Verfahren im Vergleich zu hart templatierten Materialien kostengünstiger und stellt eine technische Umsetzung in Aussicht. Desweiteren erlaubt das Syntheseverfahren die Herstellung von monolithischen Körpern und die Einbindung funktionaler Nanopartikel. Die hergestellten Materialien zeigen exzellente Eigenschaften als Elektrodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien und als Trägermaterial für Superkondensatoren.

Seit mit den Synchrotronstrahlungsquellen dritter Generation hochbrillante Röntgenquellen zur Verfügung stehen, haben sich Vollfeldmikroskopie und Rastersondenmikroskopie mit harter Röntgenstrahlung als besonders nützliche Untersuchungsmethoden etabliert. Insbesondere bei der vergrößernden Mikroskopie mit harter Röntgenstrahlung werden Röntgenkameras mit hoher Anforderung bezüglich der Ortsauflösung benötigt. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde ein zweidimensionaler Röntgendetektor für die Mikroskopie mit harter Röntgenstrahlung entworfen, gebaut und im Experiment getestet und charakterisiert. Hauptaugenmerk war dabei ein möglichst hohes Ortsauflösungsvermögen des Detektors verbunden mit einem großen effektiven dynamischen Bereich. Als vielversprechendes Konzept erwies sich dabei die Verwendung eines einkristallinen Szintillators, der mittels einer Mikroskopoptik auf einen CCD-Chip abgebildet wird. Im Experiment stellte sich heraus, dass der im Zuge dieser Diplomarbeit konzipierte Flächendetektor sämtliche an ihn gestellten Anforderungen hervorragend erfüllt. Obwohl ursprünglich für die vergrößernde Tomographie mit harter Röntgenstrahlung entwickelt, findet die Röntgenkamera darüber hinaus beim Justieren nanofokussierender refraktiver Röntgenlinsen in Rastersondenmikroskopen Verwendung.:1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Das Erzeugen von Röntgenstrahlung . . . . . . . . . . . . 3 2.1 Röntgenröhren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.2 Synchrotronstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.3 Sonstige Röntgenquellen . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3 Röntgendetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.1 Gasionisationsdetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.2 Halbleiterdetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.3 Szintillationsdetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.4 Röntgenfilme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.5 Bildplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.6 CCD-Detektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.6.1 Funktionsweise eines CCD-Chips . . . . . . . . . . . . 20 3.6.2 Direkte CCD-Detektoren . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.6.3 CCD-Detektoren mit Faseroptiken . . . . . . . . . . . 25 3.6.4 CCD-Detektoren mit Linsenoptiken . . . . . . . . . . . 26 4 Abbilden mit Röntgenstrahlung . . . . . . . . . . . . . . 29 4.1 Transmission von Röntgenstrahlung durch eine Probe . . . 30 4.2 Detektormittelwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.3 Absorptionskontrast . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 35 4.4 Beugung und Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.5 Korrelation und wechselseitige Intensität . . . . . . . 38 4.6 Das Theorem von Van Cittert und Zernike . . . . . . . . 41 4.7 Projektionsabbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.8 Das Röntgenmikroskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5 Hochauflösende Röntgenkamera . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.1 Anforderungen an den Detektor . . . . . . . . . . . . . 45 5.2 Szintillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5.3 Mikroskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.4 CCD-Kamera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 6 Charakterisierung des Detektors . . . . . . . . . . . . . 61 6.1 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 6.2 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.3 Nickel-Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.4 Goldstreifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 6.5 Mikroprozessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 6.6 Einfluss der Quellgröße . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 7 Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . 81 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Danksagung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 / With the advent of highly-brilliant third generation synchrotron radiation sources, hard x-ray full-field microscopy and hard x-ray scanning microscopy were developed and have been shown to be excellent methods for scientific investigations. Especially for magnified hard x-ray full-field microscopy, there is the need for two-dimensional x-ray detectors with highest demands on spatial resolution and effective dynamic range. In the course of this diploma thesis, such an area x-ray detector with high spatial resolution and large dynamic range was designed and built and then tested and characterized in experiment. The high-resolution x-ray camera consists of a visible light microscope which images the sensitive layer of a single-crystal scintillator on the CCD chip of a CCD camera. A test experiment gave evidence that the x-ray camera actually fulfills all the requirements with regard to spatial resolution, sensitivity and effective dynamic range. Originally, the detector was developed for magnified hard x-ray tomography, but in addition, it is applied for alignment purposes of nanofocusing refractive x-ray lenses in a hard x-ray scanning microscope.:1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Das Erzeugen von Röntgenstrahlung . . . . . . . . . . . . 3 2.1 Röntgenröhren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.2 Synchrotronstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.3 Sonstige Röntgenquellen . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3 Röntgendetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.1 Gasionisationsdetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.2 Halbleiterdetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.3 Szintillationsdetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.4 Röntgenfilme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.5 Bildplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.6 CCD-Detektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.6.1 Funktionsweise eines CCD-Chips . . . . . . . . . . . . 20 3.6.2 Direkte CCD-Detektoren . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.6.3 CCD-Detektoren mit Faseroptiken . . . . . . . . . . . 25 3.6.4 CCD-Detektoren mit Linsenoptiken . . . . . . . . . . . 26 4 Abbilden mit Röntgenstrahlung . . . . . . . . . . . . . . 29 4.1 Transmission von Röntgenstrahlung durch eine Probe . . . 30 4.2 Detektormittelwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.3 Absorptionskontrast . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 35 4.4 Beugung und Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.5 Korrelation und wechselseitige Intensität . . . . . . . 38 4.6 Das Theorem von Van Cittert und Zernike . . . . . . . . 41 4.7 Projektionsabbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.8 Das Röntgenmikroskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5 Hochauflösende Röntgenkamera . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.1 Anforderungen an den Detektor . . . . . . . . . . . . . 45 5.2 Szintillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5.3 Mikroskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.4 CCD-Kamera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 6 Charakterisierung des Detektors . . . . . . . . . . . . . 61 6.1 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 6.2 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.3 Nickel-Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.4 Goldstreifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 6.5 Mikroprozessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 6.6 Einfluss der Quellgröße . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 7 Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . 81 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Danksagung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

In der vorliegenden Arbeit wurde das Phasenverhalten von harten Hantelteilchen (Dumbbells) als Funktion des Aspektverhältnisses (L*, der Quotient aus dem Abstand der Massenzentren zum Durchmesser der Kugel) und der Volumendichte untersucht. Bragg-Reflexe weisen darauf hin, das harte Dumbbells mit L* < 0.4 einen Phasenübergang von einer Fluid-artigen Phase zu einem plastischen Kristall zeigen. Die experimentellen Phasendiagramme bei L* ~ 0.24 und L*~ 0.30 sind vergleichbar mit Vorhersagen aus Monte Carlo-Simulationen. Rheologie Messungen zeigen, dass harte Dumbbells verschiedene Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtsphasen annehmen. Suspensionen von harten Dumbbells im Zweiphasenbereich zeigen ein einziges Fließgrenzen-Ereignis, wohingegen in der plastischen Kristallphase zwei Fließgrenzen-Ereignisse beobachtet werden. Diese, im Folgenden als „double yielding“ bezeichneten Ereignisse, hängen mit der Kristallisation der Suspensionen von harten Dumbbells zusammen. Die entsprechende Strukturentwicklung wurde mit rheo-SANS-Experimenten untersucht und mithilfe von BD Simulationen interpretiert. Es konnte gezeigt werden, dass die plastische Kristallphase polykristallin im Ruhezustand ist. Unter schwacher Scherung wird eine fcc-Schwerzwilling Struktur ausgebildet. Bei hoher Scherung formt sich eine teilweise orientierte Struktur aus gleitenden Schichten. Zwischen diesen beiden Strukturen existiert eine ungeordnete Übergangsphase. Die Scher-induzierte Strukturausbildung eintspricht dem „double yielding“ Ereignis der kristallinen harten Dumbells. Es wurde gezeigt, dass ein größeres L* (L* < 0.4) die Strukturentwicklung unter Scherung qualitativ nicht beeinflusst. Aufgrund verlangsamter Dynamik in der Nähe des Glasübergangs sind lediglich stärkere oder längere Oszillationen von Nöten, um Scher-induzierte Kristallisation zu erzeugen. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden Systeme aus hohlen Kugeln und „Janus“-Dumbbells vorgestellt, die als kolloidale Modellsysteme dienen können. / In the present work the phase behaviour of hard dumbbells has been explored as a function of aspect ratio (L*, the center to center distance to the diameter of one composed sphere) and volume fractions using thermosensitive dumbbell-shaped microgels as the hard dumbbell model system. A fluid-to-plastic crystal phase transition indicated by Bragg reflections has been observed for L* < 0.4. The experimental phase diagrams at L* ~ 0.24 and L* ~ 0.30 are comparable to the theoretical prediction of the Monte Carlo simulations. Rheological measurements reveal that the hard dumbbells in the biphasic gap show the yielding behaviour with a single yielding event, while two yielding events have been observed for the plastic crystalline phase. The two yielding events, referred to as the double yielding behaviour, are proved to be related to the crystallization of hard dumbbells. The underlying structural evolution has been investigated by rheo-SANS experiments and the scattering data has been interpreted by BD simulations. It is demonstrated that the plastic crystal structure of the hard dumbbells is polycrystalline at rest, which has been induced into the twinned fcc structure at low strain, the partially oriented sliding layers at high strain and the intermediate state at the strain in-between. The shear-induced structural evolution corresponds to the double yielding events of the fully crystallized hard dumbbells. Additionally, we prove that the increase of L* (L* < 0.4) does not change the structural evolution of the sheared hard dumbbells. Only more extensive or longer oscillations are required to form the shear-induced crystal structures due to the slowdown of the dynamics in the vicinity of the glass transition. In a second part, the work of this thesis is extended to hollow systems composed of hollow spheres and hollow Janus dumbbells that can be used as model systems to probe phase behaviour of hollow capsules.

Hard x rays come along with a variety of extraordinary properties which make them an excellent probe for investigation in science, technology and medicine. Their large attenuation length in matter opens up the possibility to use hard x-rays for non-destructive investigation of the inner structure of specimens. Medical radiography is one important example of exploiting this feature. Since their discovery by W. C. Röntgen in 1895, a large variety of x-ray analytical techniques have been developed and successfully applied, such as x-ray crystallography, reflectometry, fluorescence spectroscopy, x-ray absorption spectroscopy, small angle x-ray scattering, and many more. Each of those methods reveals information about certain physical properties, but usually, these properties are an average over the complete sample region illuminated by the x rays. In order to obtain the spatial distribution of those properties in inhomogeneous samples, scanning microscopy techniques have to be applied, screening the sample with a small x-ray beam. The spatial resolution is limited by the finite size of the beam. The availability of highly brilliant x-ray sources at third generation synchrotron radiation facilities together with the development of enhanced focusing x-ray optics made it possible to generate increasingly small high intense x-ray beams, pushing the spatial resolution down to the sub-100 nm range. During this thesis the prototype of a hard x-ray scanning microscope utilizing microstructured nanofocusing lenses was designed, built, and successfully tested. The nanofocusing x-ray lenses were developed by our research group of the Institute of Structural Physics at the Technische Universität Dresden. The prototype instrument was installed at the ESRF beamline ID 13. A wide range of experiments like fluorescence element mapping, fluorescence tomography, x-ray nano-diffraction, coherent x-ray diffraction imaging, and x-ray ptychography were performed as part of this thesis. The hard x-ray scanning microscope provides a stable x-ray beam with a full width at half maximum size of 50-100 nm near the focal plane. The nanoprobe was also used for characterization of nanofocusing lenses, crucial to further improve them. Based on the experiences with the prototype, an advanced version of a hard x-ray scanning microscope is under development and will be installed at the PETRA III beamline P06 dedicated as a user instrument for scanning microscopy. This document is organized as follows. A short introduction motivating the necessity for building a hard x-ray scanning microscope is followed by a brief review of the fundamentals of hard x-ray physics with an emphasis on free-space propagation and interaction with matter. After a discussion of the requirements on the x-ray source for the nanoprobe, the main features of synchrotron radiation from an undulator source are shown. The properties of the nanobeam generated by refractive x-ray lenses are treated as well as a two-stage focusing scheme for tailoring size, flux and the lateral coherence properties of the x-ray focus. The design and realization of the microscope setup is addressed, and a selection of experiments performed with the prototype version is presented, before this thesis is finished with a conclusion and an outlook on prospective plans for an improved microscope setup to be installed at PETRA III. / Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften kommt harte Röntgenstrahlung in vielfältiger Weise in der Wissenschaft, Industrie und Medizin zum Einsatz. Vor allem die Fähigkeit, makroskopische Gegenstände zu durchdringen, eröffnet die Möglichkeit, im Innern ausgedehnter Objekte verborgene Strukturen zum Vorschein zu bringen, ohne den Gegenstand zerstören zu müssen. Eine Vielzahl röntgenanalytischer Verfahren wie zum Beispiel Kristallographie, Reflektometrie, Fluoreszenzspektroskopie, Absorptionsspektroskopie oder Kleinwinkelstreuung sind entwickelt und erfolgreich angewendet worden. Jede dieser Methoden liefert gewisse strukturelle, chemische oder physikalische Eigenschaften der Probe zutage, allerdings gemittelt über den von der Röntgenstrahlung beleuchteten Bereich. Um eine ortsaufgelöste Verteilung der durch die Röntgenanalyse gewonnenen Information zu erhalten, bedarf es eines sogenannten Mikrostrahls, durch den die Probe lokal abgetastet werden kann. Die dadurch erreichbare räumliche Auflösung ist durch die Größe des Mikrostrahls begrenzt. Aufgrund der Verfügbarkeit hinreichend brillanter Röntgenquellen in Form von Undulatoren an Synchrotronstrahlungseinrichtungen und des Vorhandenseins verbesserter Röntgenoptiken ist es in den vergangen Jahren gelungen, immer kleinere intensive Röntgenfokusse zu erzeugen und somit das räumliche Auflösungsvermögen der Röntgenrastermikroskope auf unter 100 nm zu verbessern. Gegenstand dieser Arbeit ist der Prototyp eines Rastersondenmikroskops für harte Röntgenstrahlung unter Verwendung refraktiver nanofokussierender Röntgenlinsen, die von unserer Arbeitsgruppe am Institut für Strukturphysik entwickelt und hergestellt werden. Das Rastersondenmikroskop wurde im Rahmen dieser Promotion in Dresden konzipiert und gebaut sowie am Strahlrohr ID 13 des ESRF installiert und erfolgreich getestet. Das Gerät stellt einen hochintensiven Röntgenfokus der Größe 50-100 nm zur Verfügung, mit dem im Verlaufe dieser Doktorarbeit zahlreiche Experimente wie Fluoreszenztomographie, Röntgennanobeugung, Abbildung mittels kohärenter Röntgenbeugung sowie Röntgenptychographie erfolgreich durchgeführt wurden. Das Rastermikroskop dient unter anderem auch dem Charakterisieren der nanofokussierenden Linsen, wobei die dadurch gewonnenen Erkenntnisse in die Herstellung verbesserten Linsen einfließen. Diese Arbeit ist wie folgt strukturiert. Ein kurzes einleitendes Kapitel dient als Motivation für den Bau eines Rastersondenmikroskops für harte Röntgenstrahlung. Es folgt eine Einführung in die Grundlagen der Röntgenphysik mit Hauptaugenmerk auf die Ausbreitung von Röntgenstrahlung im Raum und die Wechselwirkungsmechanismen von Röntgenstrahlung mit Materie. Anschließend werden die Anforderungen an die Röntgenquelle besprochen und die Vorzüge eines Undulators herausgestellt. Wichtige Eigenschaften eines mittels refraktiver Röntgenlinsen erzeugten Röntgenfokus werden behandelt, und das Konzept einer Vorfokussierung zur gezielten Anpassung der transversalen Kohärenzeigenschaften an die Erfordernisse des Experiments wird besprochen. Das Design und die technische Realisierung des Rastermikroskops werden ebenso dargestellt wie eine Auswahl erfolgreicher Experimente, die am Gerät vollzogen wurden. Die Arbeit endet mit einem Ausblick, der mögliche Weiterentwicklungen in Aussicht stellt, unter anderem den Aufbau eines verbesserten Rastermikroskops am PETRA III-Strahlrohr P06.

Several available free software audio solutions were analyzed, and Jackdmp—a C++ reimplementation of the renowned JACK Audio Connection Kit—was selected as the most appropriate solution for a real-time audio architecture on DROPS. The JACK sound architecture provides the lowest processing latency possible on a desktop computer for a given set of sound card parameters. It reduces the latency jitter caused by software to zero and synchronizes streams at sample accuracy. A real-time admission scheme for JACK clients is proposed. The execution time of different typical JACK clients was analyzed with measurements to validate the assumptions the proposal is based on, but also to gain further knowledge about their timing behavior. The measurements showed that the condition set by Paul Davis—the time to process a client must be a linear function of the buffer size—holds for all tested clients. Jackdmp was ported to DROPS. The developed design of the port and its implementation is documented here. Measurements showed that—although the real-time performance of the Linux kernel is continuously being improved in the mainline and on special external branches—DROPS can provide a signaling latency that is two times lower on average than the values that can be achieved on the same machine running with a low latency patched Linux kernel. Thus, it can be stated that DROPS is well-suited for real-time audio processing and that the pursued path to use it as the foundation of a truly real-time capable audio workstation should be followed. / Wenn man heute digitale Audiotechnik zum Aufnehmen oder Abmischen von Musik oder anderen Audiodaten verwenden möchte, steht man vor der Wahl, entweder auf eine sehr spezialisierte Hardwarelösung zurückzugreifen oder aber sich eines gewöhnlichen Desktopsystems mit entsprechender Audiosoftware zu bedienen. Der Vorteil eines Desktopsystems ist neben seinem deutlich niedrigeren Preis vor allem die Flexibilität. Bezüglich seines Echtzeitverhaltens bietet ein Computer mit einem Standard-Desktop-Betriebssystem aber bei weitem nicht dieselbe Verlässlichkeit einer spezialisierten Hardwarelösung oder analoger Technik. Die Architektur von DROPS --- mit dem echtzeitfähigen Fiasco- Mikrokern auf der einen Seite sowie der Unterstützung von Legacy-Anwendungen durch L4Linux auf der anderen Seite --- birgt die Hoffnung, die Vorteile von den beiden eben beschriebenen Welten auf einem System mit DROPS kombinieren zu können. Die Motivation meiner Arbeit war es, für dieses langfristige Ziel einen ersten Grundstein zu legen. Dazu war es meine Aufgabe, verschiedene Open-Source- Lösungen hinsichtlich ihrer Eignung als Echtzeit-Audioarchitektur für DROPS zu analysieren und die am besten geeignete auf L4Env zu portieren. Meine Wahl fiel dabei auf das in der Linux-Audio-Szene wohlbekannte Jack Audio Connection Kit (JACK). Desweiteren konnte ich in der Arbeit untersuchen, wie sich die JACK Audioarchitektur in ein globales Echtzeit-Scheduling --- z.B. eines von DROPS --- einbetten ließe, und schlage eine generische Methode dafür vor.

Hard x rays come along with a variety of extraordinary properties which make them an excellent probe for investigation in science, technology and medicine. Their large attenuation length in matter opens up the possibility to use hard x-rays for non-destructive investigation of the inner structure of specimens. Medical radiography is one important example of exploiting this feature. Since their discovery by W. C. Röntgen in 1895, a large variety of x-ray analytical techniques have been developed and successfully applied, such as x-ray crystallography, reflectometry, fluorescence spectroscopy, x-ray absorption spectroscopy, small angle x-ray scattering, and many more. Each of those methods reveals information about certain physical properties, but usually, these properties are an average over the complete sample region illuminated by the x rays. In order to obtain the spatial distribution of those properties in inhomogeneous samples, scanning microscopy techniques have to be applied, screening the sample with a small x-ray beam. The spatial resolution is limited by the finite size of the beam. The availability of highly brilliant x-ray sources at third generation synchrotron radiation facilities together with the development of enhanced focusing x-ray optics made it possible to generate increasingly small high intense x-ray beams, pushing the spatial resolution down to the sub-100 nm range. During this thesis the prototype of a hard x-ray scanning microscope utilizing microstructured nanofocusing lenses was designed, built, and successfully tested. The nanofocusing x-ray lenses were developed by our research group of the Institute of Structural Physics at the Technische Universität Dresden. The prototype instrument was installed at the ESRF beamline ID 13. A wide range of experiments like fluorescence element mapping, fluorescence tomography, x-ray nano-diffraction, coherent x-ray diffraction imaging, and x-ray ptychography were performed as part of this thesis. The hard x-ray scanning microscope provides a stable x-ray beam with a full width at half maximum size of 50-100 nm near the focal plane. The nanoprobe was also used for characterization of nanofocusing lenses, crucial to further improve them. Based on the experiences with the prototype, an advanced version of a hard x-ray scanning microscope is under development and will be installed at the PETRA III beamline P06 dedicated as a user instrument for scanning microscopy. This document is organized as follows. A short introduction motivating the necessity for building a hard x-ray scanning microscope is followed by a brief review of the fundamentals of hard x-ray physics with an emphasis on free-space propagation and interaction with matter. After a discussion of the requirements on the x-ray source for the nanoprobe, the main features of synchrotron radiation from an undulator source are shown. The properties of the nanobeam generated by refractive x-ray lenses are treated as well as a two-stage focusing scheme for tailoring size, flux and the lateral coherence properties of the x-ray focus. The design and realization of the microscope setup is addressed, and a selection of experiments performed with the prototype version is presented, before this thesis is finished with a conclusion and an outlook on prospective plans for an improved microscope setup to be installed at PETRA III.:1 Introduction ............................................... 1 2 Basic Properties of Hard X Rays ............................ 3 2.1 Free Propagation of X Rays ............................... 3 2.1.1 The Helmholtz Equation ................................. 4 2.1.2 Integral Theorem of Helmholtz and Kirchhoff ............ 6 2.1.3 Fresnel-Kirchhoff's Diffraction Formula ................ 8 2.1.4 Fresnel-Kirchhoff Propagation .......................... 11 2.2 Interaction of X Rays with Matter ........................ 13 2.2.1 Complex Index of Refraction ............................ 13 2.2.2 Attenuation ............................................ 15 2.2.3 Refraction ............................................. 18 3 The X-Ray Source ........................................... 21 3.1 Requirements ............................................. 21 3.1.1 Energy and Energy Bandwidth ............................ 21 3.1.2 Source Size and Divergence ............................. 23 3.1.3 Brilliance ............................................. 23 3.2 Synchrotron Radiation .................................... 24 3.3 Layout of a Synchrotron Radiation Facility ............... 27 3.4 Liénard-Wiechert Fields .................................. 29 3.5 Dipole Magnets ........................................... 31 3.6 Insertion Devices ........................................ 36 3.6.1 Multipole Wigglers ..................................... 36 3.6.2 Undulators ............................................. 37 4 X-Ray Optics ............................................... 39 4.1 Refractive X-Ray Lenses .................................. 40 4.2 Compound Parabolic Refractive Lenses (CRLs) .............. 41 4.3 Nanofocusing Lenses (NFLs) ............................... 43 4.4 Adiabatically Focusing Lenses (AFLs) ..................... 45 4.5 Focal Distance ........................................... 46 4.6 Transverse Focus Size .................................... 50 4.7 Beam Caustic ............................................. 52 4.8 Depth of Focus ........................................... 53 4.9 Beam Divergence .......................................... 53 4.10 Chromaticity ............................................ 54 4.11 Transmission and Cross Section .......................... 55 4.12 Transverse Coherence .................................... 56 4.12.1 Mutual Intensity Function ............................. 57 4.12.2 Free Propagation of Mutual Intensity .................. 57 4.12.3 Mutual Intensity In The Focal Plane ................... 58 4.12.4 Diffraction Limited Focus ............................. 59 4.13 Coherent Flux ........................................... 60 4.14 Two-Stage Focusing ...................................... 64 4.14.1 The Prefocusing Parameter ............................. 65 4.14.2 Required Refractive Power ............................. 67 4.14.3 Flux Considerations ................................... 70 4.14.4 Astigmatic Prefocusing ................................ 75 5 Nanoprobe Setup ............................................ 77 5.1 X-Ray Optics ............................................. 78 5.1.1 Nanofocusing Lenses .................................... 79 5.1.2 Entry Slits ............................................ 82 5.1.3 Pinhole ................................................ 82 5.1.4 Additional Shielding ................................... 83 5.1.5 Vacuum and Helium Tubes ................................ 83 5.2 Sample Stages ............................................ 84 5.2.1 High Resolution Scanner ................................ 84 5.2.2 High Precision Rotational Stage ........................ 85 5.2.3 Coarse Linear Stages ................................... 85 5.2.4 Goniometer Head ........................................ 85 5.3 Detectors ................................................ 86 5.3.1 High Resolution X-Ray Camera ........................... 86 5.3.2 Diffraction Cameras .................................... 89 5.3.3 Energy Dispersive Detectors ............................ 91 5.3.4 Photodiodes ............................................ 93 5.4 Control Software ......................................... 94 6 Experiments ................................................ 97 6.1 Lens Alignment ........................................... 97 6.2 Focus Characterization ................................... 99 6.2.1 Knife-Edge Scans ....................................... 100 6.2.2 Far-Field Measurements ................................. 102 6.2.3 X-Ray Ptychography ..................................... 103 6.3 Fluorescence Spectroscopy ................................ 105 6.3.1 Fluorescence Element Mapping ........................... 107 6.3.2 Fluorescence Tomography ................................ 110 6.4 Diffraction Experiments .................................. 111 6.4.1 Microdiffraction on Phase Change Media ................. 112 6.4.2 Microdiffraction on Stranski-Krastanow Islands ......... 113 6.4.3 Coherent X-Ray Diffraction Imaging of Gold Particles ... 115 6.4.4 X-Ray Ptychography of a Nano-Structured Microchip ...... 117 7 Conclusion and Outlook ..................................... 121 Bibliography ................................................. 125 List of Figures .............................................. 139 List of Publications ......................................... 141 Danksagung ................................................... 145 Curriculum Vitae ............................................. 149 Erklärung .................................................... 151 / Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften kommt harte Röntgenstrahlung in vielfältiger Weise in der Wissenschaft, Industrie und Medizin zum Einsatz. Vor allem die Fähigkeit, makroskopische Gegenstände zu durchdringen, eröffnet die Möglichkeit, im Innern ausgedehnter Objekte verborgene Strukturen zum Vorschein zu bringen, ohne den Gegenstand zerstören zu müssen. Eine Vielzahl röntgenanalytischer Verfahren wie zum Beispiel Kristallographie, Reflektometrie, Fluoreszenzspektroskopie, Absorptionsspektroskopie oder Kleinwinkelstreuung sind entwickelt und erfolgreich angewendet worden. Jede dieser Methoden liefert gewisse strukturelle, chemische oder physikalische Eigenschaften der Probe zutage, allerdings gemittelt über den von der Röntgenstrahlung beleuchteten Bereich. Um eine ortsaufgelöste Verteilung der durch die Röntgenanalyse gewonnenen Information zu erhalten, bedarf es eines sogenannten Mikrostrahls, durch den die Probe lokal abgetastet werden kann. Die dadurch erreichbare räumliche Auflösung ist durch die Größe des Mikrostrahls begrenzt. Aufgrund der Verfügbarkeit hinreichend brillanter Röntgenquellen in Form von Undulatoren an Synchrotronstrahlungseinrichtungen und des Vorhandenseins verbesserter Röntgenoptiken ist es in den vergangen Jahren gelungen, immer kleinere intensive Röntgenfokusse zu erzeugen und somit das räumliche Auflösungsvermögen der Röntgenrastermikroskope auf unter 100 nm zu verbessern. Gegenstand dieser Arbeit ist der Prototyp eines Rastersondenmikroskops für harte Röntgenstrahlung unter Verwendung refraktiver nanofokussierender Röntgenlinsen, die von unserer Arbeitsgruppe am Institut für Strukturphysik entwickelt und hergestellt werden. Das Rastersondenmikroskop wurde im Rahmen dieser Promotion in Dresden konzipiert und gebaut sowie am Strahlrohr ID 13 des ESRF installiert und erfolgreich getestet. Das Gerät stellt einen hochintensiven Röntgenfokus der Größe 50-100 nm zur Verfügung, mit dem im Verlaufe dieser Doktorarbeit zahlreiche Experimente wie Fluoreszenztomographie, Röntgennanobeugung, Abbildung mittels kohärenter Röntgenbeugung sowie Röntgenptychographie erfolgreich durchgeführt wurden. Das Rastermikroskop dient unter anderem auch dem Charakterisieren der nanofokussierenden Linsen, wobei die dadurch gewonnenen Erkenntnisse in die Herstellung verbesserten Linsen einfließen. Diese Arbeit ist wie folgt strukturiert. Ein kurzes einleitendes Kapitel dient als Motivation für den Bau eines Rastersondenmikroskops für harte Röntgenstrahlung. Es folgt eine Einführung in die Grundlagen der Röntgenphysik mit Hauptaugenmerk auf die Ausbreitung von Röntgenstrahlung im Raum und die Wechselwirkungsmechanismen von Röntgenstrahlung mit Materie. Anschließend werden die Anforderungen an die Röntgenquelle besprochen und die Vorzüge eines Undulators herausgestellt. Wichtige Eigenschaften eines mittels refraktiver Röntgenlinsen erzeugten Röntgenfokus werden behandelt, und das Konzept einer Vorfokussierung zur gezielten Anpassung der transversalen Kohärenzeigenschaften an die Erfordernisse des Experiments wird besprochen. Das Design und die technische Realisierung des Rastermikroskops werden ebenso dargestellt wie eine Auswahl erfolgreicher Experimente, die am Gerät vollzogen wurden. Die Arbeit endet mit einem Ausblick, der mögliche Weiterentwicklungen in Aussicht stellt, unter anderem den Aufbau eines verbesserten Rastermikroskops am PETRA III-Strahlrohr P06.:1 Introduction ............................................... 1 2 Basic Properties of Hard X Rays ............................ 3 2.1 Free Propagation of X Rays ............................... 3 2.1.1 The Helmholtz Equation ................................. 4 2.1.2 Integral Theorem of Helmholtz and Kirchhoff ............ 6 2.1.3 Fresnel-Kirchhoff's Diffraction Formula ................ 8 2.1.4 Fresnel-Kirchhoff Propagation .......................... 11 2.2 Interaction of X Rays with Matter ........................ 13 2.2.1 Complex Index of Refraction ............................ 13 2.2.2 Attenuation ............................................ 15 2.2.3 Refraction ............................................. 18 3 The X-Ray Source ........................................... 21 3.1 Requirements ............................................. 21 3.1.1 Energy and Energy Bandwidth ............................ 21 3.1.2 Source Size and Divergence ............................. 23 3.1.3 Brilliance ............................................. 23 3.2 Synchrotron Radiation .................................... 24 3.3 Layout of a Synchrotron Radiation Facility ............... 27 3.4 Liénard-Wiechert Fields .................................. 29 3.5 Dipole Magnets ........................................... 31 3.6 Insertion Devices ........................................ 36 3.6.1 Multipole Wigglers ..................................... 36 3.6.2 Undulators ............................................. 37 4 X-Ray Optics ............................................... 39 4.1 Refractive X-Ray Lenses .................................. 40 4.2 Compound Parabolic Refractive Lenses (CRLs) .............. 41 4.3 Nanofocusing Lenses (NFLs) ............................... 43 4.4 Adiabatically Focusing Lenses (AFLs) ..................... 45 4.5 Focal Distance ........................................... 46 4.6 Transverse Focus Size .................................... 50 4.7 Beam Caustic ............................................. 52 4.8 Depth of Focus ........................................... 53 4.9 Beam Divergence .......................................... 53 4.10 Chromaticity ............................................ 54 4.11 Transmission and Cross Section .......................... 55 4.12 Transverse Coherence .................................... 56 4.12.1 Mutual Intensity Function ............................. 57 4.12.2 Free Propagation of Mutual Intensity .................. 57 4.12.3 Mutual Intensity In The Focal Plane ................... 58 4.12.4 Diffraction Limited Focus ............................. 59 4.13 Coherent Flux ........................................... 60 4.14 Two-Stage Focusing ...................................... 64 4.14.1 The Prefocusing Parameter ............................. 65 4.14.2 Required Refractive Power ............................. 67 4.14.3 Flux Considerations ................................... 70 4.14.4 Astigmatic Prefocusing ................................ 75 5 Nanoprobe Setup ............................................ 77 5.1 X-Ray Optics ............................................. 78 5.1.1 Nanofocusing Lenses .................................... 79 5.1.2 Entry Slits ............................................ 82 5.1.3 Pinhole ................................................ 82 5.1.4 Additional Shielding ................................... 83 5.1.5 Vacuum and Helium Tubes ................................ 83 5.2 Sample Stages ............................................ 84 5.2.1 High Resolution Scanner ................................ 84 5.2.2 High Precision Rotational Stage ........................ 85 5.2.3 Coarse Linear Stages ................................... 85 5.2.4 Goniometer Head ........................................ 85 5.3 Detectors ................................................ 86 5.3.1 High Resolution X-Ray Camera ........................... 86 5.3.2 Diffraction Cameras .................................... 89 5.3.3 Energy Dispersive Detectors ............................ 91 5.3.4 Photodiodes ............................................ 93 5.4 Control Software ......................................... 94 6 Experiments ................................................ 97 6.1 Lens Alignment ........................................... 97 6.2 Focus Characterization ................................... 99 6.2.1 Knife-Edge Scans ....................................... 100 6.2.2 Far-Field Measurements ................................. 102 6.2.3 X-Ray Ptychography ..................................... 103 6.3 Fluorescence Spectroscopy ................................ 105 6.3.1 Fluorescence Element Mapping ........................... 107 6.3.2 Fluorescence Tomography ................................ 110 6.4 Diffraction Experiments .................................. 111 6.4.1 Microdiffraction on Phase Change Media ................. 112 6.4.2 Microdiffraction on Stranski-Krastanow Islands ......... 113 6.4.3 Coherent X-Ray Diffraction Imaging of Gold Particles ... 115 6.4.4 X-Ray Ptychography of a Nano-Structured Microchip ...... 117 7 Conclusion and Outlook ..................................... 121 Bibliography ................................................. 125 List of Figures .............................................. 139 List of Publications ......................................... 141 Danksagung ................................................... 145 Curriculum Vitae ............................................. 149 Erklärung .................................................... 151

Several available free software audio solutions were analyzed, and Jackdmp—a C++ reimplementation of the renowned JACK Audio Connection Kit—was selected as the most appropriate solution for a real-time audio architecture on DROPS. The JACK sound architecture provides the lowest processing latency possible on a desktop computer for a given set of sound card parameters. It reduces the latency jitter caused by software to zero and synchronizes streams at sample accuracy. A real-time admission scheme for JACK clients is proposed. The execution time of different typical JACK clients was analyzed with measurements to validate the assumptions the proposal is based on, but also to gain further knowledge about their timing behavior. The measurements showed that the condition set by Paul Davis—the time to process a client must be a linear function of the buffer size—holds for all tested clients. Jackdmp was ported to DROPS. The developed design of the port and its implementation is documented here. Measurements showed that—although the real-time performance of the Linux kernel is continuously being improved in the mainline and on special external branches—DROPS can provide a signaling latency that is two times lower on average than the values that can be achieved on the same machine running with a low latency patched Linux kernel. Thus, it can be stated that DROPS is well-suited for real-time audio processing and that the pursued path to use it as the foundation of a truly real-time capable audio workstation should be followed. / Wenn man heute digitale Audiotechnik zum Aufnehmen oder Abmischen von Musik oder anderen Audiodaten verwenden möchte, steht man vor der Wahl, entweder auf eine sehr spezialisierte Hardwarelösung zurückzugreifen oder aber sich eines gewöhnlichen Desktopsystems mit entsprechender Audiosoftware zu bedienen. Der Vorteil eines Desktopsystems ist neben seinem deutlich niedrigeren Preis vor allem die Flexibilität. Bezüglich seines Echtzeitverhaltens bietet ein Computer mit einem Standard-Desktop-Betriebssystem aber bei weitem nicht dieselbe Verlässlichkeit einer spezialisierten Hardwarelösung oder analoger Technik. Die Architektur von DROPS --- mit dem echtzeitfähigen Fiasco- Mikrokern auf der einen Seite sowie der Unterstützung von Legacy-Anwendungen durch L4Linux auf der anderen Seite --- birgt die Hoffnung, die Vorteile von den beiden eben beschriebenen Welten auf einem System mit DROPS kombinieren zu können. Die Motivation meiner Arbeit war es, für dieses langfristige Ziel einen ersten Grundstein zu legen. Dazu war es meine Aufgabe, verschiedene Open-Source- Lösungen hinsichtlich ihrer Eignung als Echtzeit-Audioarchitektur für DROPS zu analysieren und die am besten geeignete auf L4Env zu portieren. Meine Wahl fiel dabei auf das in der Linux-Audio-Szene wohlbekannte Jack Audio Connection Kit (JACK). Desweiteren konnte ich in der Arbeit untersuchen, wie sich die JACK Audioarchitektur in ein globales Echtzeit-Scheduling --- z.B. eines von DROPS --- einbetten ließe, und schlage eine generische Methode dafür vor.