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- 색지움 렌즈는 오랫동안 광학 및 사진 분야에서 표준이었다.
- 새로운 기술은 기존 렌즈와 달리 특수 제작된 미세 구조 사용
- 두 미세 구조의 조합은 X선용 색지움 렌즈처럼 작동해 서로 다른 파장의 "혼탁한" X선으로도 선명한 이미지 생성

새로운 X선 렌즈
색지움 X선 렌즈로 나노 세계를 더 쉽게 볼 수 있다.

고에너지 방사선에 대한 더 많은 초점:
연구원들이 처음으로 다른 파장의 X선 빛도 초점을 맞출 수 있는 렌즈를 개발했다. 이것은 먼저 단파 복사를 분해한 다음 다시 초점을 맞추는 두 개의 미세 구조의 조합으로 가능하다. 따라서 색지움 렌즈는 X선 분석을 더 쉽고 싱크로트론 시스템에 덜 의존하게 만들 수 있다. 

▲ 터렛처럼 보이지만 새로운 종류의 엑스레이용 렌즈이다. © Paul Scherrer Institute / Umut Sanli

색지움 렌즈가 오랫동안 광학 및 사진 분야에서 표준이었다. 렌즈는 서로 다른 파장의 빛을 자체적으로 묶어서 선명한 이미지를 가능하게 한다. 이러한 렌즈는 일반적으로 두 가지 재료로 구성되며 그 중 첫 번째 재료는 광선을 스펙트럼 색상으로 분할한다. 두 번째 재료는 모든 빔 구성 요소를 공통의 작은 점에 묶는다.

어떻게 X선 빛으로 초점을 맞출까?

이러한 무채색 렌즈는 X선에서 작동하지 않는다. X선은 파장에 따라 약간 다르게 초점을 맞춘다. "X선 빛의 경우, 한 물질이 다른 물질의 효과를 상쇄할 수 있는 광범위한 파장 범위에 걸쳐 광학 특성이 크게 다른 물질은 없다"고 스위스 필링엔 소재 PSI(Paul Scherrer Institute)의 수석 저자인 크리스티안 다비드(Christian David)가 설명했다.

그 결과 고해상도 X선 분석은 이전에는 "흑백" X선 빛으로만 가능했다. 모든 편차 파장은 대체로 균일해질 때까지 X선 빔에서 필터링된다. 문제는 결과적으로 많은 강도가 손실되기 때문에 싱크로트론과 같은 강력한 X선 소스에서만 작동하며 비싸고 거대하며 예약이 꽉 찬 경우가 많다는 것이다.

▲ 그림 1: X-ray achromat 및 실험 설정의 개념. achromatic 포커싱의 원리: 디포커싱 굴절 렌즈(RL)의 색도는 포커싱 프레넬 존 플레이트(FZP)의 색도 거동에 대한 보정기 역할을 한다. b 비교 측정에 사용된 전자빔 리소그래피 및 니켈 전기도금으로 제조된 니켈 FZP의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지. c 2광자 중합 리소그래피를 사용하여 3D 인쇄된 4개의 적층 포물면으로 구성된 RL의 SEM 이미지. d 초점 광학 장치로 achromat를 사용하는 주사 투과 X선 현미경(STXM) 및 ptychography를 위한 실험 설정의 스케치. (출처: 관련논문 Fig 1 An achromatic X-ray lens)

프레넬 렌즈와 마이크로 터렛

X선용 최초의 색지움 렌즈가 이제 해결책을 제공한다. 기존 렌즈와 달리 굴절률이 다른 두 가지 재료를 기반으로 하지 않고 특수 제작된 미세 구조를 사용한다. 나노리소그래피에 의해 생성된 질화규소 멤브레인에서 니켈로 만들어진 굴절 패턴인 소위 프레넬 존 플레이트(FZP)가 포커싱을 담당한다. 이러한 프레넬 렌즈는 X선 조사에 오랫동안 사용돼 왔다.

Achromatic lens(색지움렌즈achromatic lens 렌즈의 색수차를 보정한 조합 렌즈계)의 두 번째 부분은 새롭고 이례적이다. 높이가 수백 마이크로미터인 긴 부품으로 구성돼 있으며 모양과 구조가 렌즈보다 작은 탑이나 로켓을 더 연상시킨다. 구조물은 교차된 마이크로빔으로 둘러싸인 포물선 모양의 4층 구조다. 이러한 구조의 조합은 입사 X선이 파장에 따라 분해되고 확산되도록 한다.

균일하지 않은 파장에서도 선명한 이미지

두 미세 구조의 조합은 X선용 색지움 렌즈처럼 작동하며 이제 서로 다른 파장의 "혼탁한" X선으로도 선명한 이미지를 처음으로 생성할 수 있다. PSI의 X선 싱크로트론에서의 초기 테스트는 이것이 얼마나 잘 작동하는지 보여주었다. 이를 위해 David와 제1저자인 애덤 큐벡(Adam Kubec)이 이끄는 팀은 두 개의 렌즈 부분으로 초점을 맞춘 빔에 몇 마이크로미터 크기의 "테스트 이미지"를 배치했다.

▲ 그림 4: 무채색 렌즈와 단일 FZP(5.6 keV ~ 6.8 keV의 에너지 범위)를 사용한 다색 X선 초점 시뮬레이션. a 무채색의 시뮬레이션된 다색 X선 빔과 그림 2b의 지멘스 별의 이진화 이미지의 컨볼루션. b FZP의 시뮬레이션된 다색 X선 빔과 동일한 이미지의 컨볼루션. 실험 데이터에서 이미지 노이즈를 모델링하기 위해 컨볼루션 후에 두 이미지에 가우스 노이즈를 추가했다. c achromat(빨간색) 및 FZP(파란색)에 대한 시뮬레이션된 다색 X선 빔(중앙 피크로 정규화됨)의 라인 프로파일. (출처: 관련논문 An achromatic X-ray lens)

결과:
"우리의 achromatic lens(색지움 렌즈)는 넓은 에너지 스펙트럼에서 높은 공간 해상도와 강한 대비를 제공했지만 Fresnel zone plate만 있는 이미지는 6.2KeV(킬로전자볼트)의 목표 에너지에서 200 eV(전자볼트) 작은 편차에도 매우 흐릿해졌다"고 연구 팀은 보고했다. 새로운 무채색 렌즈는 재 조정 없이 매우 일관성이 없는 파장에서도 여전히 선명하게 초점을 맞출 수 있음을 입증했다.

X선 분석의 새로운 가능성

Kubec과 그의 동료들에 따르면 새로운 무채색 렌즈는 대규모 싱크로트론 연구 시설에서 멀리 떨어져 있어도 미래에 고정밀 X선 분석을 수행할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. Kubec은 "우리의 무채색 X선 렌즈는 산업 회사가 자체 건물에서 작업할 수 있는 소형 X선 현미경을 가능하게 할 것이다"고 말했다.

무엇보다도 마이크로칩, 배터리 및 재료 연구의 산업 연구 및 개발이 이점을 얻을 수 있다. (nature communications, 2022, doi: 10.1038/s41467-022-28902-8)
출처: Paul Scherrer Institut (PSI)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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