EP4449075A1 - Anordnung und verfahren zum markierungsfreien 3d-imaging - Google Patents

Anordnung und verfahren zum markierungsfreien 3d-imaging

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EP4449075A1
EP4449075A1 EP22829670.3A EP22829670A EP4449075A1 EP 4449075 A1 EP4449075 A1 EP 4449075A1 EP 22829670 A EP22829670 A EP 22829670A EP 4449075 A1 EP4449075 A1 EP 4449075A1
Authority
EP
European Patent Office
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nanowire
radiation
hhg
imaging
range
Prior art date
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Pending
Application number
EP22829670.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heidemarie Schmidt
Detelf BORN
Nan DU
Uwe Hübner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Original Assignee
Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV filed Critical Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Publication of EP4449075A1 publication Critical patent/EP4449075A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/01—Manufacture or treatment
    • H10N60/0241—Manufacture or treatment of devices comprising nitrides or carbonitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/80—Constructional details
    • H10N60/84—Switching means for devices switchable between superconducting and normal states
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4228—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors arrangements with two or more detectors, e.g. for sensitivity compensation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J2001/4413—Type
    • G01J2001/442—Single-photon detection or photon counting
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
    • G01J2005/208—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices superconductive

Definitions

  • the invention relates to an arrangement and a method for mark-free 3D imaging (i.e. for 3D imaging), in particular for examining biological objects with a spatial resolution in the sub-pm range.
  • TEM transmission electron microscopy
  • XRD X-ray diffraction / X-ray diffraction
  • SiFM photon-induced force microscopy
  • TEM transmission electron microscopy
  • X-ray diffraction / X-ray diffraction is that the biological material has to be crystallized in a time-consuming process, since the diffraction of X-rays only takes place on ordered structures (e.g. crystals) and during crystallization usually the original in vivo structures of the biological 3D objects are destroyed.
  • XRD is therefore particularly well suited for investigating the structure of DNA or the structure of proteins, such as enzymes from prokaryotic and eukaryotic cells.
  • PiFM photon-induced force microscopy
  • Electronic components are referred to here as light detectors/photosensors/optical detectors/optoelectronic sensors, which convert light into an electrical signal using the photoelectric effect or exhibit an electrical resistance that is dependent on the incident radiation.
  • single photon detectors in the form of photomultipliers or photodiodes as light detectors have been known for decades.
  • a photon detector has been implemented for several years in the form of a superconducting nanowire single photon detector (SNSPD or SSPD).
  • the Superconducting Nanowire Single Photon Detector is a type of optical and near-infrared single photon detector based on a current-fed superconducting nanowire that enables photon counting.
  • the superconducting nanowire single photon detector (SNSPD) consists of a thin superconducting film on an insulating substrate.
  • the superconducting film is formed into a meandering nanowire by nanofabrication processes.
  • This geometry of the single photon detector makes it possible to cover a large surface area on the insulating substrate, collect all the incident radiation, which is coupled into the SNSPD, for example via an optical fiber, and at the same time create a single path for the current flow when current is applied.
  • the nanoscale cross-section gives the SNSPD extremely high sensitivity, allowing detection of absorption of just a single photon.
  • the nanowire is heated in a small area, locally breaking the superconductivity and locally inducing electrical resistance in the SNSPD.
  • this temporary resistance generates a voltage pulse that is registered by the connected amplification electronics.
  • the heated area cools down again and the SNSPD is ready to detect the next photon.
  • the superconducting nanowire single photon detector Compared with other types of single photon detectors, the superconducting nanowire single photon detector has very high detection efficiency, very low dark count rate, and very low temporal jitter.
  • Timing jitter is an extremely important property for time-correlated single photon counting (TCSPC) applications.
  • the superconducting nanowire single photon detector consists of a thin ( ⁇ 5 nm to -100 nm) superconducting nanowire, typically hundreds of microns in length, where the nanowire is structured in a compact meander geometry, around a square or round pixel with high detection efficiency to generate on the insulating carrier material.
  • the nanowire is cooled below its critical (strain) temperature and subjected to a constant direct current (bias current) that is close to, but less than, the critical current of the superconducting nanowire.
  • a photon hitting the nanowire breaks Cooper pairs and reduces the local critical current below that of the bias current. This leads to the formation of a localized non-superconducting area or hot spot of increased electrical resistance. This resistance is typically larger than the sense amplifier's 50 ohm input impedance, so most of the bias current is shunted to the amplifier. This creates a measurable voltage pulse that is approximately equal to the bias current multiplied by 50 ohms.
  • the time it takes for the current to return to the nanowire is typically determined by the inductive time constant of the nanowire, which is equal to the kinetic inductance of the nanowire divided by the impedance of the readout circuit. For proper device self-reset, this inductive time constant must be slower than the intrinsic cooling time of the nanowire hotspot.
  • NbN sputtered niobium nitride
  • SNSPD operation in the temperature range of 1 K to 4 K (compatible with liquid helium or modern closed circuit cryocoolers).
  • the intrinsic thermal time constants of NbN are short, resulting in very fast cooling after photon absorption ( ⁇ 100 picoseconds).
  • Current and emerging applications of superconducting nanowire single-photon detectors include imaging of infrared photoemission, characterization of single-photon emitters, and high-time-resolution photon detection.
  • WO 2015/139361 A1 discloses a method and a device for reducing the extrinsic dark number of a nanowire single photon detector, a multilayer film filter being provided on a superconducting nanowire single photon detector and the multilayer film filter being dielectric and having a bandpass filter function.
  • a substrate is bonded to a surface of the multilayer filter, the substrate having an upper surface bonded to an upper anti-reflection layer and a lower surface bonded to a lower anti-reflection layer and forming an optical cavity structure bonded to a surface of the the top anti-reflective layer of the substrate, the superconducting nanowire being located between the top anti-reflective layer of the substrate and the optical cavity structure, and a reflector connected to a surface of the optical cavity structure.
  • a marking-free 3D imaging in particular for examining biological objects with a spatial resolution in the sub-pm range, is not possible with this arrangement and this method.
  • WO 2020/127927 A1 discloses a photodetector comprising a microcell array and an output module configured to collect an output signal from each microcell upon photon detection by that microcell and to combine the collected output signals into at least one output line.
  • Each microcell consists of a first device and a second device, at least one of the devices being a photosensitive device capable of detecting the photon, a temporal resolution module associated with this photosensitive connected to device(s) and configured to provide a trigger signal to such photosensitive device(s) to activate them and a reader module configured to receive when the photon arrives at the activated photosensitive devices, providing a corresponding signal from the activated photosensitive device(s) and based on the received signal the output signal to the output module.
  • WO 2020/127927 A1 teaches that the first device and the second device are single-photon diodes and the gate signal is used to apply a reverse bias voltage (the so-called reverse or bias voltage) across the first light-sensitive device and modulate the second photosensitive device from bottom to top via a breakdown voltage thereof.
  • the readout module is a differential readout circuit configured to detect a current/voltage change in the first device or in the second device caused by the detection of the photon and to provide the output signal indicative of this photon detection .
  • a marking-free 3D imaging in particular for examining biological objects with a spatial resolution in the sub-pm range, is not possible with this arrangement and this method.
  • Laser-controlled and/or -driven light sources [ultra-short, high-power lasers for generating high harmonics (so-called HHG) in gases] in the extreme ultraviolet range (EUV with a wavelength of 10-124 nm) and in the soft X-ray range (SXR with a wavelength of 1-10 nm) enable nanoscopic Imaging by lensless imaging methods with unique mark-free
  • Photon counting in the SXR and EUV range has hitherto usually been carried out using electron multiplier multichannel plates (MCP).
  • MCP electron multiplier multichannel plates
  • CCD cameras can detect individual photons of harder X-rays and can therefore be used as counting detectors.
  • CCD cameras have limited readout times of the order of milliseconds up to seconds.
  • Electron multiplier CCD detectors [DJ Denvir and E. Conroy, Electron-multiplying CCD: the new ICCD. in proc. SPIE, vol. 4796 CB Johnson, D. Sinha, and PA Laplante, eds. (2003), p. 164], but mostly for the infrared and optical wavelength range. Therefore, these devices typically have no or very low detection efficiency for EUV and SXR photons, and their count rates are typically much lower than the repetition rate of high-flux HHG sources. Fuchs, S. et al., Optical coherence tomography with nanoscale axial resolution using a laser-driven high-harmonic source.
  • Optica, 4, 903-906, 2017 discloses nanoscale axial resolution coherence tomography, ie non-invasive cross-sectional imaging, with high harmonics using a laser-guided high-harmonic source. A depth resolution of 24 nm and a very good material contrast are achieved. Overly demanding optics for extreme ultraviolet radiation are avoided and artifacts due to elementary geometry are suppressed with a three-stage one-dimensional phase retrieval algorithm. The images are recorded in reflection geometry, which allows the analysis of e.g. B. of semiconductor samples with the help of tabletop devices for microscopy in the extreme ultraviolet range.
  • ALD atomically deposited
  • the transport properties of bare layers and of bridges with different dimensions and thicknesses were examined. Similar relationships between the measured critical current and the vent current were found for microbridges made of ALD and sputtered NbN layers.
  • the single photon response was characterized for 5 and 10 nm thick nanowire detectors.
  • a 100 nm wide, straight nanowire with a length of 5 pm shows a saturated dependence of the count rate on the bias current and a cut-off wavelength in the near infrared range.
  • ALD technology opens up the possibility of manufacturing NbN-based detectors on a wafer scale and also conformally coating non-planar surfaces for novel device concepts.
  • the object of the present invention is an arrangement and a method for mark-free 3D imaging, in particular for examining biological objects with a spatial resolution in Indicate sub-pm range, which avoids the aforementioned disadvantages of the prior art, in particular a quantum imaging with high-energy radiation, such as quantum ghost imaging with nanoscale resolution, allows the sensitivity of the EUV / SXR detector provided for the lensless imaging methods is as high as possible.
  • SNSPD carrier substrate
  • a voltage pulse VI and V2 is measured at each end of the nanowire.
  • the spatial resolution of the nanowire is limited in one spatial direction of the plane by the width of the nanoscale cross-section and in the other spatial direction of the plane perpendicular to the width by the time resolution when measuring the voltage pulses V1 and V2.
  • This straight superconducting nanowire is cooled well below its superconducting critical temperature (in the range of 1 to 4 Kelvin) and operated at a constant DC current close to, but less than, the nanowire's superconducting critical current.
  • the arrangement for label-free 3D imaging, which includes this straight, superconducting nanowire, includes the following components:
  • OPA optical parametric amplifier
  • At least one straight, elongated superconducting nanowire which is applied (e.g. by sputtering or atomic layer deposition) to a carrier (e.g. made of sapphire substrate), the nanowire being e.g. a niobium nitride layer (NbN layer) which is a substrate, e.g. a sapphire substrate, is sputtered on and forms the single photon detector, this nanowire advantageously being embedded in a coplanar waveguide connected to a bias tee separating the bias and readout lines and the separate reading out of voltage pulses on the two ends of the sNSPD allow
  • a carrier e.g. made of sapphire substrate
  • NbN layer niobium nitride layer
  • this nanowire advantageously being embedded in a coplanar waveguide connected to a bias tee separating the bias and readout lines and the separate reading out of voltage pulses on the two ends of the sNSPD allow
  • a closed-cycle cryocooler for cooling the linear, straight-elongated, superconducting nanowire in the temperature range of 1 K to 4 K, with ultra-high vacuum conditions at the cryogenic sSNPD 's position to freeze out residual gas from the HHG source at the to prevent position of the nanowire
  • a readout amplifier with Off value unit is provided for measuring the voltage pulses VI and V2 at both ends of the sSNPD, which result from the impact of a photon on the linear, straight, elongated, superconducting nanowire (through local reduction of the critical current under the bias current, resulting in the formation of a localized non-superconducting region of limited electrical resistance greater than the input impedance of the sense amplifier, so that most of the bias current is shunted to the amplifier, resulting in the measurable voltage pulse).
  • At least one straight superconducting nanowire is used as an ultrafast single photon detector (sSNPD).
  • sSNPD ultrafast single photon detector
  • the linear, straight, elongated nanowire consists of a superconducting layer, particularly advantageously a niobium nitride (NbN) layer, which is deposited on a carrier (e.g. as 3 to 20 nm thick, advantageously 10 nm thick and 50 to 200 nm wide, advantageously 100 nm wide NbN layer) and which has a relatively high critical superconducting temperature ( ⁇ 10 K), which enables sSNPD operation in the temperature range from 1 K to 4 K, the carrier being made of a suitable substrate , e.g. sapphire substrate.
  • a suitable substrate e.g. sapphire substrate.
  • the geometry of the elongated superconducting nanowire single photon detector is designed in such a way that it is constructed as an ID pixel detector array and as a 2D pixel detector array, wherein the high spatial resolution in one spatial direction of the Detector area is limited by the width of the nanoscale cross section of the nanowires and in the other spatial direction of the detector area perpendicular to the width of the nanowires by the time resolution when measuring the voltage pulses VI and V2 at the ends of the nanowires.
  • the arrangement for label-free 3D imaging which comprises at least one straight superconducting nanowire (sSNSPD) on a carrier substrate, enables photon counting of EUV/SXR radiation from laser-controlled high-harmonic sources impinging on biological material.
  • sSNSPD superconducting nanowire
  • Laser radiation from an optical parametric amplifier (OPA) is focused into an argon gas beam.
  • the filter has a transmission window of 15 -72 eV, which determines the bandwidth of the photons hitting the sSNSPD.
  • the HHG source is operated with laser pulses with a central wavelength in the range of 1300 nm, a pulse energy in the range of 2 mJ, a pulse duration in the range of ⁇ 50 fs and a repetition rate in the range of 1 kHz.
  • pulses are generated by the optical parametric amplifier (OPA) pumped with a Ti:Sa laser (35 fs pulse duration, 9 mJ pulse energy, center wavelength 790 nm).
  • OPA optical parametric amplifier
  • the HHG process is triggered by focusing the linearly polarized laser pulses from the OPA into an argon gas jet, resulting in a mixture of EUV radiation with the typical harmonic comb structure and the remaining infrared laser light. In doing so, EUV photons are generated up to an energy of ⁇ 100 eV. EUV radiation with the typical harmonic comb structure is separated from the remaining infrared laser light by thin metal foils.
  • Aluminum for example, is used as the filter material (foil), which lets through EUV radiation in the range from 15 to 72 eV, or zirconium, which lets through radiation above ⁇ 60 eV.
  • the foils are also used for differential pumping of the residual gas load from the gas jet in the HHG chamber.
  • the HHG beam is focused by a toroidal mirror onto an intermediate focus, in which the biological sample to be examined is arranged, and then travels from this to the cryogenic sSNPD, so that individual photons can be detected with spectral and polarization resolution and the high resolution through the Evaluation of the transit time differences of the signals triggered by the photons is generated.
  • the single photon detector is designed as a straight, elongated, superconducting nanowire single photon detector (sSNSPD), whose spatial resolution in one spatial direction of the detection area is due to the width of the nanoscale cross-section and in the other spatial direction of the detection area perpendicular to the width due to the time resolution the measurement of the voltage pulses VI and V2 is limited.
  • sSNSPD superconducting nanowire single photon detector
  • the sSNPD is illuminated with EUV/SXR radiation from an HHG source, with the sSNPD being arranged in ID or 2D pixel arrays particularly advantageously in order to examine biological samples.
  • the biological material is irradiated with electromagnetic radiation with wavelengths between 0.1 and 121 nm. In order to prevent damage to the biological material, the biological material is irradiated with low photon fluxes.
  • At least one straight nanowire is used as an ultrafast single photon detector (sSNPD).
  • sSNPD ultrafast single photon detector
  • each pixel is formed by an sSNPD , are formed and the optimum coverage of the pixels is 50%.
  • the geometry of the single photon detector is designed in such a way that it can be set up as an ID pixel detector array and as a 2D pixel detector array.
  • an image of the sample surface can be generated like a digital photo, with the spatial resolution in one direction being determined by the width of the nanowires and in the spatial direction perpendicular thereto by the time resolution when measuring the voltage pulses V1 and V2 is limited at the end of the nanowires.
  • Each individual pixel stands for location information of a structural element within the biological material to be examined.
  • a mirror can be placed in the focal area and moved to direct the beam into an XUV spectrometer.
  • the SNSPD signal is amplified with a room temperature amplifier (Mini-Circuits ZX60-33LN-S+) and measured with an oscilloscope.
  • the detector registers, e.g. at 3.0 K and a bias Current of 62 pA, single photon events, which are detected in the form of pixels.
  • the amplitude of the voltage pulses of about 100 mV after amplification for the case of EUV photon detection corresponds to the pulse height for the case of photon detection in the visible range, with the amplitude of the voltage pulses themselves also not enabling an energy resolution of the detected individual photons.
  • the count rate is 940 events per minute, well below the source's 1 kHz repetition rate, ensuring that the detection events are due to single incident photons.
  • a control measurement can be performed with the infrared drive laser off to show that the events are neither dark counts nor caused by residual light in the chamber.
  • the gas supply can be turned off while the laser radiation is maintained to prove that the events are not triggered by infrared photons that may have penetrated the aluminum filter.
  • a photodiode that detects the incoming IR pulses can be used to measure the time delay between the incoming laser pulse and a detected event.
  • a pixelated array with multiple cryogenic elongated superconducting nanowire single photon detectors (sSNPD's) with straightened superconducting nanowires is required to visualize biological structures.
  • sSNPD's cryogenic elongated superconducting nanowire single photon detectors
  • EUV extreme ultraviolet
  • SXR soft X-ray
  • HHG high harmonic generation
  • the provided elongated superconducting nanowire single photon detectors enable the detection and counting of single photons, whereby these detectors do not detect dark current and enable very high count rates and thus high readout speeds (event-based after each laser pulse), which is a perfect complement for HHG sources with a high repetition rate and enables a high SNR, which is only limited by the photon shot exchange.
  • the ability of sNSPDs to detect and count single photons paves the way for promising applications in quantum optics and quantum imaging with high-energy radiation, such as quantum ghost -Imaging with nanoscale resolution.
  • the sensitivity of an EUV detector for lensless imaging methods is very high, with the resolution scaling directly with the number of photons detected, ie the signal-to-noise ratio (SNR), and a high SNR is usually due to a high photon flux, a high quantum efficiency and long exposure times over which the photon flux is integrated is achieved.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • EUV and SXR light are ionizing radiation that causes damage
  • the recovery time is in the range of a few nanoseconds or even picoseconds, so that even sNSPD count rates of up to several GHz can be achieved, with the sNSPDs perfectly matching the repetition rates of modern high-flux HHG sources, which operate with a repetition rate of several 100 kHz can be operated.
  • sSNPDs have an extraordinarily low dark count rate, which enables detection with a high SNR.
  • Fig. 1 a schematic overview of an embodiment of an arrangement
  • FIG. 3 a schematic representation of the determination of the impact point of a single photon using the arrangement according to FIG. 1, 4: a schematic representation of an embodiment of a 1D pixel array,
  • Fig.öa a schematic representation of the location information through the rotation of a biological object with X smaller than the object
  • Fig.öb a schematic representation of the location information through the rotation of a biological object with X larger than the object
  • 9a a schematic representation of the location information and spectral information by displacement of the biological object and illumination with photons of different wavelengths with X smaller than the object
  • Fig. 1 The arrangement shown in Fig. 1 includes:
  • a laser-controlled and/or -driven light source in the form of an ultrashort, high-power laser for the generation of high harmonics (HHG) in a gaseous environment with a wavelength in the range from 1 nm to 124 nm, using laser radiation from an optical parametric amplifier -OPA- (1) in an argon gas jet (2) and runs through a thin metal foil (3) (e.g. aluminum filter foil),
  • HHG high harmonics
  • At least one straight superconducting nanowire (8) which is applied to a carrier (e.g. by sputtering), the nanowire (8) being, for example, a niobium nitride layer (NbN layer) which is sputtered onto the sapphire substrate carrier and forms the single photon detector in the form of the SSNSPD (6), this nanowire (8) advantageously being embedded in a coplanar waveguide connected to a bias tee separating the bias and readout lines,
  • a closed-cycle cryocooler for cooling the linear, straight-elongated, superconducting nanowire (8) in the temperature range from 1 K to 4 K, with ultra-high vacuum conditions existing at the position of the cryogenic SNSPD's in order to freeze the nanowire impede,
  • the point of impact of the single photon is determined by measuring the runtime difference in signal VI (contact point 1) and signal V2 (contact point 2), where the following applies:
  • the first disadvantage of this technical solution is the low spatial resolution in the detection plane along the x-direction and along the y-direction, which leads to a low spatial resolution of the impact point of the single photon.
  • the second disadvantage is the poor integration capability of the meandered structure.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the determination of the impact point of a single photon using the arrangement according to FIG. 1 with a straight, superconducting nanowire single photon detector [sSNPD (straight SNSPD, sSNSPD)].
  • sSNPD straight SNSPD, sSNSPD
  • the speed of propagation is reduced by using the carrier (increase in the conduction capacitance CK of the nanowire) and reducing the cross section of the nanowire (increase in the kinetic inductance LK).
  • FIG. 5 shows the embodiment as a 2D pixel array with MxN pixels, each pixel being formed by an sSNPD and the optimal degree of coverage of the M pixels: 50%, optimal degree of coverage of the N pixels: 50%.
  • FIG. 6a shows the acquisition of the location information by rotating the biological object, where X is smaller than the object.
  • the beam path along the optical axis leads from the EUV/XUV source through the biological object, which is embedded in a cylinder (z-axis of rotation, z-axis of displacement) to the sSNSPD (bucket detector), with the monochromatic illumination being included Photons of a wavelength X occurs, which is smaller than the object.
  • FIG. 6b shows the acquisition of the location information by rotating the biological object, with X being larger than the object.
  • the beam path along the optical axis leads from the EUV/XUV source through the biological object, which is embedded in a cylinder (z-axis of rotation, z-axis of displacement) to the sSNSPD (bucket detector), with the monochromatic illumination being included Photons of a wavelength X occurs, which is larger than the object.
  • 7a shows the acquisition of the location information by moving the object, where X is smaller than the object.
  • the beam path along the optical axis leads from the EUV/XUV source through the object, which is embedded in a cuboid (x-displacement axis, z-displacement axis, y-displacement axis) to the sSNSPD (bucket detector), with the monochromatic illumination with photons of wavelength X, which is smaller than the object.
  • 7b shows the acquisition of the location information by moving the object, where X is larger than the object.
  • the beam path along the optical axis leads from the EUV/XUV source through the biological object, which is embedded in a cuboid (x-displacement axis, z-displacement axis, y-displacement axis) to the sSNSPD (bucket detector), where the monochromatic illumination occurs with photons of wavelength X, which is larger than the object.
  • sSNSPD bucket detector
  • the beam path along the optical axis leads from the EUV/XUV source through the biological object, which is embedded in the cylinder (z axis of rotation, z axis of displacement) to the sSNSPD (bucket detector).
  • the beam path along the optical axis leads from the EUV/XUV source through the object, which is embedded in the cylinder (z axis of rotation, z axis of displacement) to the sSNSPD (bucket detector), with the illumination using photons of the wavelength X ⁇ X ,...X,...X ⁇ X occurs.
  • the beam path leads along the optical Axis starting from the EUV/XUV source through the object, which is embedded in a cuboid (x-displacement axis, z-displacement axis, y-displacement axis) onto the sSNSPD (bucket detector).
  • FIG. 9b shows the acquisition of the location information and the spectral information by moving the biological object and illuminating it with photons of different wavelengths, where X is larger than the object.
  • the beam path along the optical axis leads from the EUV/XUV source through the object, which is embedded in a cuboid (x-displacement axis, z-displacement axis, y-displacement axis) to the sNSPD (bucket detector), with the Illumination with photons of wavelength X ⁇ X ,...X,...X ⁇ X takes place.
  • a dispersive element eg a Fresnel zone plate
  • the beam path along the optical axis leads from the EUV/XUV source through the object, a dispersive element to the sSNSPD (bucket detector), with the illumination using photons of the wavelength
  • the laser-controlled and/or -driven light source in the extreme ultraviolet range (EUV) and in the soft X-ray range (SXR) with high harmonic generation (HHG), enables nanoscopic imaging with unique label-free elementary contrast and a provided detector arrangement.
  • EUV extreme ultraviolet range
  • SXR soft X-ray range
  • HHG high harmonic generation
  • the provided superconducting nanowire single photon detectors enable the detection and counting of single photons, whereby these detectors are dark-count-free and enable very high count rates and thus high readout speeds (event-based after each laser pulse), which is a perfect complement to HHG -represents high repetition rate sources and enables high SNR, limited only by photon shot noise.
  • the ability of the provided arrangement to detect and count single photons paves the way for promising applications in quantum optics and quantum imaging with high-energy radiation, such as quantum ghost Imaging with nanoscale resolution.
  • the advantage here is that the sensitivity of the EUV detector for lensless imaging methods is very high, with the resolution scaling directly with the number of photons detected, i.e. the signal-to-noise ratio (SNR), and a high SNR usually through a high photon flux, a high quantum efficiency and long exposure times over which the photon flux is integrated is achieved.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the recovery time of the arrangement is in the range of a few nanoseconds or even picoseconds, so that even SNSPD count rates of up to several GHz can be achieved, with the SNSPDs perfectly matching the repetition rates of modern High-flux HHG sources that operate at a repetition rate of several 100 kHz are suitable, and the SNSPDs have an extremely low dark count rate, which enables background-free detection.
  • Fig. 14 shows an example of a time-dependent analog signal of an sNSPD at the maximum in the time range from 0 to 110 ns (Fig. 14a) and from 14 to 30 ns (Fig. 14b) and at the minimum in the time range from 0 to 110 ns (Fig. 14c) and from 37 to 84 ns. It is advantageous that both the maximum value of the analog signal (FIG. 14b) and the minimum value of the analog signal (FIG. 14d) depend systematically on the wavelength. The value of the analog signal at the maximum (Fig. 14b) increases with increasing wavelength. The value of the analog signal at the minimum (Fig. 14d) decreases with increasing wavelength.
  • the parameters are derived from an analysis of the time-dependent analog signal for an sSNSPD
  • the sSNPD which depends only on the material and the geometry of the sNSPD, and from the dependence of the analog signal on the bias current, e.g. when the bias current is 80%, 85%, 90% or 92.5% of the critical current, is determined.
  • the advantage here is that the kinetic inductance, the thermal capacity and the wavelength-dependent resistance at the maximum of the analog signal can be determined in a calibration measurement and that an analysis of the analog signal provides spectral information about the wavelength of the absorbed single photon.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum markierungsfreien 3D- Imaging, insbesondere zur Untersuchung von biologischen Objekten mit einer Ortsauflösung im Sub-pm-Bereich. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung und ein Verfahren zum markierungsfreien 3D- Imaging, insbesondere eine Quantenbildgebung mit hochenergetischer Strahlung ermöglicht, wird dadurch gelöst, dass die Anordnung eine lasergesteuerte / -getriebene Lichtquelle in Form eines ultrakurzen Hochleistungslasers für die Erzeugung hoher Oberwellen in einer Gasumgebung mit einer Wellenlänge im Bereich von 1 nm bis 124 nm, wobei Laserstrahlung eines optischen parametrischen Verstärkers (1) in einem Argon-Gasstrahl (2) fokussiert und die erzeugte HGG- Strahlung durch eine dünne Metallfolie (3) verläuft, einen Toroidspiegel (4), welcher die HHG- Strahlung (5) auf einen Zwischenfokus (51) fokussiert und von dem diese dann zu einem Einzelphotonendetektor in Form eines SNSPD (6) gelangt und eine Probenaufnahme (7) zum ortsgenauen Positionieren einer zu untersuchenden Probe im Zwischenfokus (51), wobei der SNSPD (6) zumindest ein gerader, langgestreckter supraleitender Nanodraht (8) auf einen Träger ist und einen kryogenen sSNSPD ausbildet, dieser Nanodraht (8) in einen koplanaren Wellenleiter eingebettet ist, der mit einem Bias-Tee verbunden ist, das die Bias- und Ausleseleitungen trennt und die Auslesung von Spannungsimpulsen VI und V2 an den beiden Enden des Nanodrahts (8) ermöglicht, ein Kryokühler (9) mit geschlossenem Kreislauf zum Kühlen des linear, gerade langestreckt verlaufenden, supraleitende Nanodrahts (8) im Temperaturbereich von 1 K bis 4 K vorgesehen ist, wobei Ultrahochvakuumbedingungen an der Position des kryogenen sSNSPD 's bestehen, um das Ausfrieren von Restgas aus der HHG-Quelle an der Position des Nanodrahts (8) zu verhindern, eine Stromquelle für das Anlegen des Bias- Stroms an den linear, gerade langestreckt verlaufenden, supraleitende Nanodraht (8) vorgesehen ist, und ein Ausleseverstärker (10) mit Aus Werteeinheit (11) zum Messen der Spannungsimpulse VI und V2 vorgesehen ist, welche in Folge des Auftreffens eines Photons auf dem linear, gerade langestreckt verlaufenden, supraleitenden Nanodraht (8) an den beiden Enden des Nanodrahts (8) entstehen.

Description

Anordnung und Verfahren zum markierungsfreien 3D- Imaging
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum markierungsfreien 3D- Imaging (d.h. zur 3D-Bildgebung), insbesondere zur Untersuchung von biologischen Objekten mit einer Ortsauflösung im Sub-pm-Bereich.
Die Untersuchung von biologischen 3D- Objekten mit einer Ortsauflösung im Sub-gm-Bereich erfolgt bisher durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) mit einer Ortsauflösung im nm- Bereich (derzeit ab 0,045 nm), durch Röntgenbeugung / Röntgendiffraktion (XRD) mit einer Ortsauflösung im Sub-gm-Bereich (bis 10 nm) und durch markierungsfreies Imaging mittels photonen- induzierter Kraftmikroskopie (PiFM).
Der Nachteil der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) besteht darin, dass die ursprünglichen in vivo-Strukturen der biologischen 3D- Objekte eine aufwendige Probenvorbereitung durchlaufen müssen. Beispielsweise werden die biologischen 3D-Objekte durch aufwendige Präparation eingebettet und in dünne Scheiben aufgeteilt und anschließend auf einem Ultramikrotom in ultradünne in Schichten geschnitten, werden müssen, da das Objekt ausreichend dünn sein muss, damit die Elektronen es durchstrahlen können. Die TEM eignet sich daher besonders gut für die direkte Abbildung von Zellstrukturen (d.h. Zellschnitten) von Prokaryoten und Eukaryoten.
Der Nachteil der Röntgenbeugung / Röntgendiffraktion (XRD) besteht darin, dass das biologische Material aufwendig kristallisiert werden muss, da die Beugung der Röntgenstrahlung nur an geordneten Strukturen, wie bspw. Kristallen) erfolgt und bei der Kristallisation meist die ursprüngliche in vivo-Strukturen der biologischen 3D- Objekte zerstört werden. Die XRD eignet sich daher besonders gut zur Untersuchung der Struktur der DNA oder der Struktur von Proteinen, wie bspw. Enzymen aus prokaryotischen und eukaryotischen Zellen.
Der Nachteil der photoneninduzierter Kraftmikroskopie (PiFM) besteht darin, dass lediglich Informationen im 10 bis 20 nm- Bereich über die Oberfläche, jedoch keine Tiefeninformationen der biologischen 3D- Objekte gewonnen werden können und keine markierungsfreie Detektion einzelner Moleküle oder Atome möglich ist. Die PiFM eignet sich daher besonders gut zur 3D-Untersuchung von Zelloberflächen und ähnlichen Strukturen, wobei auch nichtleitende Proben untersucht werden können.
Darüber hinaus ist bekannt, dass Lichtdetektoren an sich entscheidende Komponenten optischer Bildgebungs- und Telekommunikationssysteme sind.
Als Lichtdetektor / Photosensor /optischer Detektor / optoelektronischer Sensor, werden hier elektronische Bauelemente bezeichnet, die Licht unter Benutzung des photoelektrischen Effekts in ein elektrisches Signal umwandeln oder einen von der einfallenden Strahlung abhängigen elektrischen Widerstand zeigen.
So kennt man bspw. seit Jahrzehnten Einzelphotonendetektoren in Form von Photomultipliem oder Photodioden als Lichtdetektoren.
Ein ultimativer Photonendetektor muss dabei in der Lage sein, die elementare Anregung der einfallenden Strahlung (= ein einzelnes Photon) zu detektieren. Realisiert wird ein solcher Photonendetektor seit einigen Jahren in Form eines supraleitenden Nanodraht- Einzelphotonendetektors (SNSPD oder SSPD).
Der supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektor (SNSPD oder SSPD) ist eine Art optischer und Nahinfrarot-Einzelphotonendetektor, der auf einem stromgespeisten supraleitenden Nanodraht basiert und eine Photonenzählung ermöglicht.
Der supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektor (SNSPD) besteht aus einem dünnen supraleitenden Film auf einem isolierenden Trägermaterial. Der supraleitende Film wird durch Nanofabrikationsprozesse zu einem mäandrierden Nanodraht geformt. Dieses Geometrie des Einzelphotonendetektors ermöglicht es, eine große Oberfläche auf dem isolierenden Trägermaterial abzudecken, die gesamte einfallende Strahlung, welche bspw. mittels einer optischen Faserin den SNSPD eingekoppelt wird, zu sammeln und gleichzeitig einen einzigen Pfad für den Stromfluss bei Stromspeisung zu schaffen. Die Detektoren in Form der SNSPD werden vorwiegend im Bereich von 1 bis 4 Kelvin betrieben und ein konstanter Strom (Ruhestrom = sogenannter Vorspannungs- oder Bias-Strom) unterhalb des kritischen Stroms des supraleitenden Materials in Nanogeometrie wird in den SNSPD gespeist. Der nanoskalige Querschnitt verleiht den SNSPD eine extrem hohe Empfindlichkeit, was den Nachweis der Absorption nur eines einzelnen Photon ermöglicht.
Sobald ein einzelnes Photon im mäandrierten Nanodraht der SNSPD absorbiert wird, wird der Nanodraht in einem kleinen Bereich erwärmt, wodurch die Supraleitung lokal gebrochen und ein elektrischer Widerstand im SNSPD lokal induziert wird. Dieser temporäre Widerstand erzeugt bei anliegendem Bias- Strom einen Spannungsimpuls, der von der angeschlossenen Verstärkungselektronik registriert wird. Innerhalb weniger Nanosekunden kühlt sich dererwärmte Bereich wieder ab und der SNSPD ist bereit, das nächste Photon zu detektieren.
Im Vergleich zu anderen Arten von Einzelphotonendetektoren besitzt der supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektor eine sehr hohe Detektionseffizienz, eine sehr niedrige Dunkelzählrate und einen sehr geringen zeitlichen Jitter.
Zur Erläuterung dieser drei Begriffe / Eigenschaften:
• sehr hohe Detektionseffizienz auf Grund niedrige Totzeit, (d.h. Zeitintervall nach einem Detektionsereignis, in dem der Detektor nicht empfindlich ist) in der Größenordnung von einigen Nanosekunden. Diese kurze Totzeit führt zu sehr hohen Sättigungszählraten, was zu einer sehr hohen Detektionseffizienz führt.
• niedrige Dunkelzählraten (das Auftreten von Spannungsimpulsen auf der Verstärkungselektronik in Abwesenheit eines detektierten Photons)
• niedriger Jitter (d.h. die Unsicherheit in der Ankunftszeit der Photonen) im Bereich von Pikosekunden. Der Timing-Jitter ist eine äußerst wichtige Eigenschaft für Anwendungen der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung (TCSPC).
Zum Prinzip der Funktionsweise eines supraleitenden Nanodraht- Einzelphotonendetektors : Der supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektor besteht aus einem dünnen (~ 5 nm bis - 100 nm) supraleitenden Nanodraht, dessen Länge in der Regel Hunderte von Mikrometern beträgt, wobei der Nanodraht in einer kompakten Mäandergeometrie strukturiert ist, um ein quadratisches oder rundes Pixel mit hoher Detektionseffizienz auf dem isolierenden Trägermaterial zu erzeugen.
Der Nanodraht wird unter seine kritische Temperatur (Spannungstemperatur) abgekühlt und mit einem konstantem Gleichstrom (Bias- Strom) beaufschlagt, der nahe am kritischen Strom des supraleitenden Nanodrahts liegt, aber geringer ist als dieser.
Ein auf den Nanodraht auftreffendes Photon bricht Cooper-Paare und reduziert den lokalen kritischen Strom unter den des Vorspannungsstroms. Dies führt zur Bildung eines lokalisierten nichtsupraleitenden Bereichs oder Hotspots mit erhöhtem elektrischen Widerstand. Dieser Widerstand ist in der Regel größer als die 50-Ohm- Eingangsimpedanz des Ausleseverstärkers, so dass der größte Teil des Bias- Stroms zum Verstärker abgeleitet wird. Dies erzeugt einen messbaren Spannungsimpuls, der ungefähr dem Bias- Strom multipliziert mit 50 Ohm entspricht.
Die Zeit, die der Strom benötigt, um zum Nanodraht zurückzukehren, wird in der Regel durch die induktive Zeitkonstante des Nanodrahts bestimmt, die gleich der kinetischen Induktivität des Nanodrahts geteilt durch die Impedanz des Ausleseschaltkreises ist. Für eine ordnungsgemäße Selbstrückstellung des Geräts muss diese induktive Zeitkonstante langsamer sein als die intrinsische Abkühlungszeit des Hotspots des Nanodrahts.
Die meisten, derzeit bekannten supraleitenden Nanodraht- Einzelphotonendetektoren bestehen aus gesputtertem Niobnitrid (NbN), das eine relativ hohe kritische Supraleitungs-Temperatur (~ 10 K) aufweist, die den SNSPD-Betrieb im Temperaturbereich von 1 K bis 4 K ermöglicht (kompatibel mit flüssigem Helium oder modernen Kryokühlem mit geschlossenem Kreislauf). Die intrinsischen thermischen Zeitkonstanten von NbN sind kurz, was zu einer sehr schnellen Abkühlung nach der Photonenabsorption führt (<100 Pikosekunden). Aktuelle und neu entstehende Anwendungen von supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonendetektoren umfassen u.a. die Abbildung von Infrarot-Photoemission, die Charakterisierung von Einzelphotonen- Emittem und die Photonendetektion mit hoher Zeitauflösung.
WO 2015/139361 Al offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung der extrinsischen Dunkelzahl eines Nanodraht- Einzelphotonendetektors, wobei ein mehrschichtiger Filmfilter auf einem supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonendetektor vorgesehen ist und der mehrschichtige Filmfilter dielektrisch ist sowie eine Bandpassfilterfunktion aufweist.
Dabei ist ein Substrat mit einer Oberfläche des Mehrschichtfilters verbunden, wobei das Substrat eine obere Oberfläche aufweist, die mit einer oberen Antireflexionsschicht verbunden ist, und eine untere Oberfläche, die mit einer unteren Antireflexionsschicht verbunden ist und eine optische Hohlraumstruktur ausbildet, die mit einer Oberfläche der oberen Antireflexionsschicht des Substrats verbunden ist, wobei sich der supraleitende Nanodraht zwischen der oberen Antireflexionsschicht des Substrats und der Struktur des optischen Hohlraums befindet und ein Reflektor vorgesehen ist, der mit einer Oberfläche der Struktur des optischen Hohlraums verbunden ist.
Ein markierungsfreies 3D- Imaging, insbesondere zur Untersuchung von biologischen Objekten mit einer Ortsauflösung im Sub-pm-Bereich ist mit dieser Anordnung und diesem Verfahren nicht möglich.
WO 2020/127927 Al offenbart einen Photodetektor, umfassend ein Mikrozellenarray und ein Ausgangsmodul, das so konfiguriert ist, dass es von jeder Mikrozelle ein Ausgangssignal bei einer Photonendetektion durch diese Mikrozelle sammelt und die gesammelten Ausgangssignale zu mindestens einer Ausgangsleitung kombiniert. Jede Mikrozelle besteht aus einer ersten Vorrichtung und einer zweiten Vorrichtung, wobei mindestens eine der Vorrichtungen eine lichtempfindliche Vorrichtung ist, die in der Lage ist, das Photon zu erkennen, ein Modul mit zeitlicher Auflösung, das mit dieser lichtempfindlichen Vorrichtung(en) verbunden ist und so konfiguriert ist, dass sie ein Auslösesignal an diese lichtempfindliche Vorrichtung(en) liefert, um sie zu aktivieren, und ein Lesemodul, das für den Empfang konfiguriert ist, wenn das Photon auf den aktivierten lichtempfindlichen Geräten ankommt, ein entsprechendes Signal von der/den aktivierten lichtempfindlichen Vorrichtung(en) und auf der Grundlage des empfangenen Signals das Ausgangssignal an das Ausgangsmodul zu liefern.
Dabei lehrt die WO 2020/127927 Al, dass die erste Vorrichtung als auch die zweite Vorrichtung Einzelphotonen-Dioden sind und das Gate-Signal verwendet wird, um eine Reverse- Vorspannung (die sogenannte Reverse- oder Bias-Spannung) über die erste lichtempfindliche Vorrichtung und die zweite lichtempfindliche Vorrichtung von unten nach oben über eine Durchbruchspannung davon zu modulieren. Das Auslesemodul ist dabei eine differentielle Ausleseschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie eine Strom-/Spannungsänderung in der ersten Vorrichtung oder in der zweiten Vorrichtung erkennt, die durch die Detektion des Photons verursacht wird, und das Ausgangssignal liefert, das auf diese Photonendetektion hinweist.
Ein markierungsfreies 3D- Imaging, insbesondere zur Untersuchung von biologischen Objekten mit einer Ortsauflösung im Sub-pm-Bereich ist mit dieser Anordnung und diesem Verfahren nicht möglich.
Lasergesteuerte und/oder -getriebene Lichtquellen [ultrakurze Hochleistungslaser für die Erzeugung hoher Oberwellen (sogenannte HHG) in Gasen] im extrem ultravioletten Bereich (EUV mit 10 -124 nm Wellenlänge) und im weichen Röntgenbereich (SXR mit 1 -10 nm Wellenlänge) ermöglichen nanoskopische Bildgebung durch linsenlose Abbildungsverfahren mit einzigartigem markierungsfreien
Elementarkontrast. Um jedoch die einzigartigen Eigenschaften dieser neuen Lichtquellen voll auszunutzen, müssen neuartige Detektionsverfahren bereitgestellt werden.
In bisher gängigen EUV/SXR-Bildgebungsan Wendungen werden typischerweise rückseitig beleuchtete, gedünnte CCD-Detektoren auf Siliziumbasis als Detektoren verwendet. Die Quanteneffizienz dieser Detektoren kann im EUV-Bereich Werte von mehr als 90 % [I. Moody, M. Watkins, R. Bell, M. Soman, J. Keelan, and A. Holland, CCD QE in the Soft X-ray Range. (2017)] erreichen. Allerdings ist das SNR durch Ausleserauschen und Dark Counts begrenzt und daher nicht ideal für die EUV/SXR-Bildgebung mit minimiertem Photonendurchsatz.
Darüber hinaus können diese Detektoren aufgrund ihres integrierenden Messprinzips in Verbindung mit der für die linsenlose Bildgebung typischen sehr unterschiedlichen Beleuchtung verschiedener Regionen auf dem Detektor die sehr hohe Wiederholrate von mehreren 100 kHz von High-Flux-HHG-Quellen nicht nutzen, da die Auslesezeiten typischerweise in der Größenordnung von Millisekunden bis hin zu Sekunden liegen.
Die Photonenzählung im SXR- und EUV- Bereich wird bisher üblicherweise mit Hilfe von Elektronenvervielfacher-Mehrkanalplatten (MCP) durchgeführt. Der Wirkungsgrad der MCPs und damit auch deren Einsatz ist aufgrund des offenen Flächen Verhältnisses der MCPs, der hohen Dunkelzählrate und der geringen Zählrate begrenzt.
CCD-Kameras können einzelne Photonen härterer Röntgenstrahlung detektieren und somit als Zähldetektoren verwendet werden, CCD- Kameras haben limitierend geringe Auslesezeiten in der Größenordnung von Millisekunden bis hin zu Sekunden.
Für Photonen niedriger Energie ist das Zählen mit CCDs aufgrund des Ausleserauschens nicht möglich.
Es gibt eine Reihe von Halbleiterdetektoren für die Photonenzählung, wie z. B. Avalanche-Photodioden [S. Cova, M. Ghioni, A. Lacaita, C. Samori, and F. Zappa, Avalanche photodiodes and quenching circuits for singlephoton detection. Appl. Opt. 35, 1956 (1996)] oder
Elektronenvervielfacher-CCD-Detektoren [D. J. Denvir and E. Conroy, Electron-multiplying CCD: the new ICCD. in Proc. SPIE, vol. 4796 C. B. Johnson, D. Sinha, and P. A. Laplante, eds. (2003), p. 164], jedoch meist für den infraroten und optischen Wellenlängenbereich. Daher weisen diese Geräte in der Regel keine oder nur eine sehr geringe Detektionseffizienz für EUV- und SXR-Photonen auf, und ihre Zählraten sind in der Regel viel geringer als die Wiederholrate von HHG-Quellen mit hohem Fluss. Fuchs, S. et al., Optical coherence tomography with nanoscale axial resolution using a laser-driven high-harmonic source. Optica, 4, 903- 906, 2017 offenbart eine Kohärenztomographie mit nanoskaliger axialer Auflösung, d. h. eine nichtinvasiven Querschnittsbildgebung, mit hohen Harmonischen unter Verwendung einer lasergesteuerten hochharmonischen Quelle. Dabei werden eine Tiefenauflösung von 24 nm und ein sehr guter Materialkontrast erreicht. Übermäßig anspruchsvolle Optiken für extreme ultraviolette Strahlung werden vermieden und Artefakte aufgrund der elementaren Geometrie werden mit einem dreistufigen eindimensionalen Phasenabrufalgorithmus unterdrückt. Die Bilder werden in Reflexionsgeometrie aufgenommen, was die Analyse z. B. von Halbleiterproben mit Hilfe von Tischgeräten für die Mikroskopie im extrem ultravioletten Bereich erleichtert.
Knehr, E. et al., Nanowire single-photon detectors made of atomic layer- deposited niobium nitride, Supercond. Sei. Technol. 32, 125007, 2019 offenbart supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren, die aus atomar abgeschiedenen (ALD) NbN-Schichten hergestellt werden. Um die Eignung dieser Schichten als Detektormaterial zu beurteilen, wurden die Transporteigenschaften von nackten Schichten und von Brücken mit unterschiedlichen Abmessungen und Dicken untersucht. Für Mikrobrücken aus ALD- und gesputterten NbN-Schichten wurden ähnliche Verhältnisse zwischen dem gemessenen kritischen Strom und dem Entlüftungsstrom ermittelt. Darüber wurde die Einzelphotonenantwort für 5 und 10 nm dicke Nanodrahtdetektoren charakterisiert.
Ein 100 nm breiter gerader Nanodraht mit einer Länge von 5 pm zeigt dabei eine gesättigte Abhängigkeit der Zählrate vom Biasstrom und eine Grenzwellenlänge im nahen Infrarotbereich. Die ALD-Technik eröffnet die Möglichkeit, Detektoren auf NbN-Basis im Wafermaßstab herzustellen und auch nicht ebene Oberflächen für neuartige Gerätekonzepte konform zu beschichten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung und ein Verfahren zum markierungsfreien 3D- Imaging, insbesondere zur Untersuchung von biologischen Objekten mit einer Ortsauflösung im Sub-pm-Bereich anzugeben, welches die zuvorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere eine Quantenbildgebung mit hochenergetischer Strahlung, wie z.B. Quanten- Ghost-Imaging mit nanoskaliger Auflösung, ermöglicht, wobei die Empfindlichkeit des bereitgestellten EUV/SXR- Detektors für die linsenlosen Abbildungsmethoden so hoch wie möglich ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Anordnung gemäß dem 1. Patentanspruch und ein Verfahren gemäß dem 7. Patentanspruch gelöst. Weitere günstige Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung sind in den nachgeordneten Unteransprüchen angegeben.
Es wird ein langgestreckter supraleitender Nanodraht- Einzelphotonendetektor (sSNSPD) zum markierungsfreien 3D- Imaging, insbesondere zur Untersuchung von biologischen Objekten mit einer Ortsauflösung im Sub-pm-Bereich bereitgestellt und eingesetzt, der nicht wie üblich einen mäandrierten Nanodraht aus supraleitendem Material mit einem nanoskaligen Querschnitt auf einem Trägersubstrat umfasst (= SNSPD), welcher stromgespeist ist und im Bereich von 1 bis 4 Kelvin mit einem konstanten Strom unterhalb des kritischen Stroms des Supraleiters betrieben wird, sondern als gerader, langgestreckter Nanodraht aus supraleitendem Material (= Supraleiter) mit einem nanoskaligen Querschnitt auf einem elektrisch isolierenden Trägersubstrat ausgeführt ist, um einen einzigen geraden Pfad für den Strom zu schaffen. An beide Enden des Nanodrahtes wird jeweils ein Spannungspuls VI und V2 gemessen. Die Ortsauflösung des Nanodrahtes ist in der einen Raumrichtung der Ebene durch die Breite des nanoskaligen Querschnitts und in der anderen Raumrichtung der Ebene senkrecht zur Breite durch die Zeitauflösung bei der Messung der Spannungspulse V 1 und V2 limitiert.
Dieser gerade supraleitende Nanodraht wird weit unter seine supraleitende kritische Temperatur abgekühlt (im Bereich von 1 bis 4 Kelvin) und mit einem konstantem Gleichstrom betrieben, der nahe am supraleitenden kritischen Strom des Nanodrahts liegt, aber geringer ist als dieser. Die Anordnung zum markierungsfreien 3D- Imaging, welche diesen gerade verlaufenden, supraleitenden Nanodraht beinhaltet, umfasst folgende Bestanteile:
- eine lasergesteuerte und/oder -getriebene Lichtquelle in Form eines ultrakurzen Hochleistungslasers für die Erzeugung hoher Oberwellen (HHG) in einer Gasumgebung mit einer Wellenlänge im Bereich von 1 nm bis 124 nm, wobei Laserstrahlung eines optischen parametrischen Verstärkers (OPA) in einem Argon-Gasstrahl fokussiert und die im Fokus erzeugte HHG- Strahlung durch eine dünne Metallfolie (bspw. Aluminiumfilterfolie) verläuft,
- einen Toroidspiegel, welcher die HHG- Strahlung auf einen Zwischenfokus fokussiert und von dem diese dann zum Einzelphotonendetektor in Form des sSNSPD gelangt,
- eine Probenaufnahme zum ortsgenauem Positionieren einer zu untersuchenden biologischen Probe im Zwischenfokus,
- zumindest ein gerader, langgestreckter supraleitender Nanodraht, welcher auf einem Träger (bspw. aus Saphirsubstrat) aufgebracht ist (bspw. durch Sputtern oder Atomlagen-Abscheidung), wobei der Nanodraht bspw. eine Niobnitrid-Schicht (NbN-Schicht) ist, welche auf ein Substrant, bspw. ein Saphir Substrat, aufgesputtert ist und den Einzelphotonendetektor ausbildet, wobei dieser Nanodraht vorteilhaft in einen koplanaren Wellenleiter eingebettet ist, der mit einem Bias-Tee verbunden ist, das die Biasund Ausleseleitungen trennt und das separate Auslesen von Spannungspulsen an den beiden Enden des sSNSPD ermöglich,
- einen Kryokühler mit geschlossenem Kreislauf zum Kühlen des linear, gerade langestreckt verlaufenden, supraleitenden Nanodrahts im Temperaturbereich von 1 K bis 4 K, wobei Ultrahochvakuumbedingungen an der Position des kryogenen sSNSPD ‘s bestehen, um das Ausfrieren von Restgas aus der HHG- Quelle an der Position des Nanodrahts zu verhindern,
- eine Stromquelle für das Einspeisen des Bias- Stroms in den linear, gerade langestreckt verlaufenden, supraleitende Nanodraht und - einen Ausleseverstärker mit Aus Werteeinheit zum Messen der Spannungsimpulse VI und V2 an den beiden Enden des sSNSPD vorgesehen ist, welche in Folge des Auftreffens eines Photons auf dem linear, gerade langestreckt verlaufenden, supraleitenden Nanodraht (durch lokale Reduktion des kritischen Stroms unter den Bias- Stroms, was zur Bildung eines lokalisierten nicht-supraleitenden Bereichs mit begrenztem elektrischem Widerstand führt, der größer als die Eingangsimpedanz des Ausleseverstärkers ist, so dass der größte Teil des Bias- Stroms zum Verstärker abgeleitet wird, was zu dem messbaren Spannungsimpuls führt) erzeugt.
Um die Ortsauflösung bei der Detektion der transmittierten Einzelphotonen zu gewährleisten, wird mindestens ein gerader supraleitenden Nanodraht, besonders vorteilhaft jedoch eine Matrix aus mehreren geraden parallel zueinander verlaufenden supraleitenden Nanodrähten, welche auf einen Träger aufgebracht sind, als ultraschneller Einzelphotonendetektor (sSNSPD) verwendet.
Dabei besteht der linear, gerade langestreckt verlaufende Nanodraht (sSNSPD) aus einer supraleitende Schicht, besonders vorteilhaft aus Niobnitrid (NbN)-Schicht, die auf einen Träger abgeschieden ist (bspw. als 3 bis 20 nm dicke, vorteilhaft 10 nm dicke sowie 50 bis 200 nm breite, vorteilhaft 100 nm breite NbN-Schicht) und das eine relativ hohe kritische Supraleitungs-Temperatur (~ 10 K) aufweist, die den sSNSPD- Betrieb im Temperaturbereich von 1 K bis 4 K ermöglicht, wobei der Träger aus einem geeignetem Substrat, bspw. Saphirsubstrat, besteht.
Besonders vorteilhaft ist bei der Detektion der transmittierten Einzelphotonen aus biologischem Material, dass die sSNSPD in 1D- Pixel-Arrays mit m = 1, .... M Pixeln von sSNSPD’ s oder als 2D-Pixel- Arrays mit M x N Pixeln, wobei jedes Pixel von einem sSNSPD gebildet wird, angeordnet sind und der optimale Bedeckungsgrad der Pixel 50% beträgt.
Um das 3D-lmaging an zu untersuchenden biologischen Proben zu gewährleisten, wird die Geometrie des langgestreckten supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonendetektores (sSNSPD) so ausgelegt, dass er als ID-Pixel Detektor- Array und als 2D-Pixel-Detektor- Array auf gebaut ist, wobei die hohe Ortsauflösung in der einen Raumrichtung der Detektorfläche durch die Breite des nanoskaligen Querschnitts der Nanodrähte und in der anderen Raumrichtung der Detektorfläche senkrecht zur Breite der Nanodrähte durch die Zeitauflösung bei der Messung der Spannungspulse VI und V2 an den Enden der Nanodrähte limitiert ist.
Das Verfahren zum markierungsfreien 3D- Imaging unter Verwendung dieser Anordnung mit mindestens einem geraden Nanodraht läuft wie folgt ab:
Die Anordnung zum markierungsfreien 3D- Imaging, welche mindestens einen gerade verlaufenden, supraleitenden Nanodraht (sSNSPD) auf einem Trägersubstrat umfasst, ermöglicht die Photonenzählung von EUV/SXR- Strahlung aus lasergesteuerten hochharmonischen Quellen, welche auf biologisches Material treffen.
Die Laserstrahlung eines optischen parametrischen Verstärkers (OPA) wird in einen Argon-Gasstrahl fokussiert. Die EUV-Strahlung wird erzeugt und durch eine dünne Metallfolie (bspw. Aluminiumfilterfolie) aus dem Laserlicht gefiltert (= Filter zur Trennung der EUV-Strahlung vom restlichen infraroten Laserlicht, um HHG-Strahlung zu erzeugen =HHG-Quelle). Der Filter hat ein Transmissionsfenster von 15 -72 eV, welches die Bandbreite der auf den sSNSPD auftreffenden Photonen bestimmt.
Dabei wird die HHG-Quelle mit Laserpulsen mit einer zentralen Wellenlänge im Bereich von 1300 nm, einer Pulsenergie im Bereich von 2 mJ, einer Pulsdauer im Bereich von ~50 fs und einer Wiederholrate im Bereich von von 1 kHz betrieben.
Diese Pulse werden von dem optischen parametrischen Verstärker (OPA) erzeugt, der mit einem Ti:Sa-Laser (35 fs Pulsdauer, 9 mJ Pulsenergie, zentrale Wellenlänge 790 nm) gepumpt wird.
Durch Fokussierung der linear polarisierten Laserpulse aus dem OPA in einen Argon-Gasstrahl wird der HHG-Prozess ausgelöst, wodurch eine Mischung aus EUV-Strahlung mit der typischen harmonischen Kammstruktur und restlichem Infrarot-Laserlicht entsteht. Dabei werden EUV-Photonen bis zu einer Energie von ~100 eV erzeugt. EUV-Strahlung mit der typischen harmonischen Kammstruktur wird durch dünne Metallfolien von dem restlichen Infrarot-Laserlicht getrennt. Dabei wird als Filtermaterial (Folie) bspw. Aluminium verwendet, welches EUV-Strahlung im Bereich von 15 bis 72 eV durch lässt oder Zirkonium, welches Strahlung oberhalb von ~60 eV durchlässt.
Neben der spektralen Filterung werden die Folien auch zum differentiellen Abpumpen der Restgaslast aus dem Gasstrahl in der HHG- Kammer verwendet.
Die Ultrahochvakuumbedingungen an der Position des kryogenen sSNSPD sind entscheidend, um das Ausfrierenvon Restgas aus der HHG- Quelle an der Position des eingesetzten Nanodrahts oder des 1D- Pixel Detektor- Arrays oder des 2D-Pixel-Detektor- Array zu vermeiden.
Der HHG-Strahl wird dabei durch einen Toroidspiegel auf einen Zwischenfokus, in welchem die zu untersuchende biologische Probe angeordnet ist, fokussiert und gelangt dann von diesem zum kryogenen sSNSPD, so dass einzelne Photonen spektral- und polarisationsaufgelöst detektiert werden können und die hohe Auflösung durch die Auswertung der Laufzeitunterschiede der durch die Photonen ausgelösten Signale generiert wird.
Die Ausführung des Einzelphotonendetektors erfolgt dabei als gerader, langgestreckter, supraleitender N anodraht-Einzelphotonen-detektor (sSNSPD), dessen Ortsauflösung in der einen Raumrichtung der Detektionsfläche durch die Breite des nanoskaligen Querschnitts und in der anderen Raumrichtung der Detektionsfläche senkrecht zur Breite durch die Zeitauflösung bei der Messung der Spannungspulse VI und V2 limitiert ist.
Der sSNSPD wird mit einer EUV/SXR-Strahlung aus einer HHG-Quelle beleuchtet wird, wobei die sSNSPD besonders vorteilhaft in ID- oder 2D-Pixel- Arrays angeordnet sind, um biologische Probe zu untersuchen.
Um dabei die Ortsauflösung im Sub-pm-Bereich zu gewährleisten, wird das biologische Material mit elektromagnetischer Strahlung Wellenlängen zwischen 0,1 und 121 nm bestrahlt. Um eine Schädigung des biologischen Materials zu verhindern, wird die Bestrahlung des biologischen Materials mit geringen Photonenflüssen durchgeführt.
Um die Ortsauflösung bei der Detektion der transmittierten Einzelphotonen zu gewährleisten, wird mindestens ein gerader Nanodraht, besonders vorteilhaft jedoch eine Matrix aus mehreren geraden, langgestreckt parallel zueinander verlaufenden Nanodrähten als ultraschneller Einzelphotonendetektor (sSNSPD) verwendet.
Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die sSNSPD ‘s in ID-Pixel- Arrays mit m=l, .... M Pixeln von sSNSPD’ s oder als ID-Pixel- Arrays mit MxN Pixeln, wobei jedes Pixel von einem sSNSPD gebildet wird, ausgebildet sind und der optimale Bedeckungsgrad der Pixel 50% beträgt.
Um das 3D-lmaging zu gewährleisten, wird die Geometrie des Einzelphotonendetektors so ausgelegt, dass er als ID-Pixel Detektor- Array und als 2D-Pixel-Detektor- Array aufgebaut werden kann.
Durch das pixelweise punktweise Aufzeichnen der Spannungsimpulse VI und V2 lässt sich wie bei einem Digitalfoto eine Abbildung der Probenoberfläche erzeugen, wobei die Ortsauflösung in der einen Richtung durch die Breite der Nanodrähte und in der Raumrichtung senkrecht dazu durch die Zeitauflösung bei der Messung der Spannungspulse V 1 und V2 am Ende der Nanodrähte limitiert ist.
Jeder einzelne Bildpunkt (Einzelphotonendetektion) steht dann für eine Ortsinformation eines Strukturelements innerhalb des zu untersuchenden biologischen Materials.
Zusätzlich kann ein Spiegel in den Fokusbereich vorgesehen sein und bewegt werden, um den Strahl in ein XUV-Spektrometer zu lenken. Das Signal des SNSPD wird mit einem Raumtemperaturverstärker (Mini- Circuits ZX60-33LN-S+) verstärkt und mit einem Oszilloskop gemessen.
Wenn der langgestreckte supraleitende Nanodraht-Einzelphotonen- detektor (sSNSPD) bspw. mit der breitbandigen EUV-Strahlung bestrahlt wird, registriert der Detektor, bspw. bei 3,0 K und einem Bias- Strom von 62 pA, Einzelphotonenereignisse, welche in Form von Bildpunkten detektiert werden.
Die Amplitude der Spannungspilse von etwa 100 mV nach der Verstärkung für den Fall von EUV-Photonendetektion entspricht dabei der Impulshöhe für den Fall der Photonendetektion im sichtbaren Bereich, wobei die Amplitute der Spannungspulse selbst auch keine Energieauflösung der detektierten Einzelphotonen ermöglicht.
Die Abklingzeit für ein konkretes Beispiel beträgt etwa 4 ns und wird durch die kinetische Induktivität des Nanodrahtes bestimmt, welche etwa ~42 nH beträgt, wobei in diesem konkreten Beispiel die Vakuumpermeabilität p=0, die magnetische Eindringtiefe XNbN ~ 550 nm und die Gesamtlänge des Nanodrahtes 1 = 110 pm, die Breite w = 100 nm sowie die Dicke d = 10 nm betragen.
Es dauert im konkreten Beispiel für den Fall von EUV- Photonendetektion etwa 50 - 100 ns, bis das Ausgangssignal des Messsystems vollständig konvergiert. Es ist zu beachten, dass dies weder die Erholungszeit des sSNSPD ist noch die Detektionseffizienz oder die Dunkelzählrate des Systems beeinflusst.
Bei einem Bias-Strom von 62 pA liegt die Zählrate bei 940 Ereignissen pro Minute und damit weit unter der Wiederholrate der Quelle von 1 kHz, was sicherstellt, dass die Detektionsereignisse auf einzelne einfallende Photonen zurückzuführen sind.
Um zu beweisen, dass die detektierten Ereignisse tatsächlich durch EUV-Photonen verursacht werden, kann eine Kontroll- Messung mit ausgeschaltetem Infrarot-Antriebslaser durchgeführt werden, um zu zeigen, dass die Ereignisse weder Dunkelzählungen sind noch durch Restlicht in der Kammer verursacht werden.
In einer zweiten Kontroll- Messung kann die Gaszufuhr abgeschaltet werden, während die Laserstrahlung aufrechterhalten wird, um zu beweisen, dass die Ereignisse nicht durch Infrarot-Photonen ausgelöst werden, die möglicherweise den Aluminiumfilter durchdrungen haben.
Als zusätzliche Kontroll- Messung kann mit einer Photodiode, die die eingehenden IR-Pulse detektiert, die zeitliche Verzögerung zwischen dem eintreffenden Laserpuls und einem detektierten Ereignis bestimmt werden.
Für Abbildungszwecke mit laserbasierten hochharmonischen Lichtquellen in der kohärenten Bildgebung, der EUV-Quantenoptik und der Quantenbildgebung ist eine gepixelte Anordnung mit mehreren kryogenen langgestreckten supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonen- detektoren (sSNSPD’s) mit gerade ausgerichteten, supraleitenden Nanodrähten erforderlich, um biologische Strukturen sichtbar zu machen. Oder es muss alternativ dazu durch die Messung der Position des Ereignisses auf dem gerade ausgerichteten, supraleitenden Nanodraht durch die Auswertung der Verzögerung zwischen den Signalen an den beiden Enden die Erzeugung eines Bildpunktes generiert werden.
Die lasergesteuerte und/oder -getriebene Lichtquelle im extrem ultravioletten Bereich (EUV) und im weichen Röntgenbereich (SXR), die auf der Erzeugung hoher Harmonischer (HHG) basiert, ermöglicht eine nanoskopische Bildgebung mit einzigartigem markierungsfreiem Elementarkontrast und die bereit gestellte Detektoranordnung sowie das mit dieser durchzuführende Detektionsverfahren ermöglichen diese einzigartigen Eigenschaften dieser neuen Quellen voll auszunutzen.
Durch die bereitgestellten langgestreckten supraleitenden Nanodraht- Einzelphotonendetektoren (sSNSPD) wird die Detektion und Zählung einzelner Photonen ermöglicht, wobei diese Detektoren keinen Dunkelstrom detektieren sowie sehr hohe Zählraten und somit hohe Auslesegeschwindigkeiten (ereignisbasiert nach jedem Laserpuls) ermöglichen, was eine perfekte Ergänzung für HHG-Quellen mit hoher Repetitionsrate darstellt und einen hohen SNR ermöglicht, der nur durch das Photonen-Schrotauschen begrenzt ist.
Zusätzlich zu den Vorteilen von sSNSPDs für klassische Bildgebungs- an Wendungen mit lasergetriebenen EUV-Quellen ebnet die Fähigkeit der sSNSPD, einzelne Photonen zu detektieren und zu zählen, den Weg für vielversprechende Anwendungen in der Quantenoptik und Quantenbildgebung mit hochenergetischer Strahlung, wie z.B. Quanten- Ghost-Imaging mit nanoskaliger Auflösung. Die Empfindlichkeit eines EUV-Detektors für linsenlose Abbildungsmethoden ist dabei sehr hoch, wobei die Auflösung direkt mit der Anzahl der detektierten Photonen, d.h. dem Signal-Rausch- Verhältnis (SNR), skaliert und ein hohes SNR in der Regel durch einen hohen Photonenfluss, eine hohe Quanteneffizienz und lange Belichtungszeiten, über die der Photonenfluss integriert wird, erreicht wird.
Andererseits ist es von Vorteil, den Photoneneinfallsfluss auf die Probe zu begrenzen. Schließlich handelt es sich bei EUV- und SXR-Licht um ionisierende Strahlung, die Schäden hervorruft
Der Einsatz von EUV-Strahlung und sSNSPDs hat zwei wesentliche Vorteile:
Zum einen liegt die Erholungszeit im Bereich von wenigen Nanosekunden oder sogar Pikosekunden, so dass sogar sSNSPD- Zählraten von bis zu mehreren GHz erreicht werden, wobei die sSNSPDs perfekt zu den Wiederholraten moderner Hochfluss-HHG- Quellen passen, welche mit einer Wiederholrate von mehreren 100 kHz betrieben werden.
Zum anderen weisen sSNSPDs eine außerordentlich niedrige Dunkelzählrate auf, was eine Detektion mit hohem SNR ermöglicht.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnungen und der Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1 : eine schematische Übersichtsdarstellung einer Ausführungsform einer Anordnung,
Fig. 2: eine schematische Darstellung der Bestimmung des Auftreffpunktes eines Einzelphotonens gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 3: eine schematische Darstellung der Bestimmung des Auftreffpunktes eines Einzelphotonens unter Verwendung der Anordnung gemäß Fig. 1, Fig. 4: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines 1D- Pixel- Arrays,
Fig. 5: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines 2D- Pixel- Arrays,
Fig.öa: eine schematische Darstellung zur Ortsinformation durch die Rotation eines biologischen Objekts mit X kleiner als das Objekt,
Fig.öb: eine schematische Darstellung zur Ortsinformation durch die Rotation eines biologischen Objekts mit X größer als das Objekt,
Fig. 7a: eine schematische Darstellung zur Ortsinformation durch die Verschiebung eines biologischen Objekts mit X kleiner als das Objekt,
Fig.7b: eine schematische Darstellung zur Ortsinformation durch die Verschiebung eines biologischen Objekts mit X größer als das Objekt,
Fig.8a: eine schematische Darstellung zur Ortsinformation und spektralen Information durch Rotation des biologischen Objekts und Beleuchtung mit Photonen unterschiedlicher Wellenlängen mit X kleiner als das Objekt,
Fig.8b: eine schematische Darstellung zur Ortsinformation und spektralen Information durch Rotation des biologischen Objekts und Beleuchtung mit Photonen unterschiedlicher Wellenlängen mit X größer als das Objekt,
Fig.9a: eine schematische Darstellung zur Ortsinformation und spektralen Information durch Verschiebung des biologischen Objekts und Beleuchtung mit Photonen unterschiedlicher Wellenlängen mit X kleiner als das Objekt,
Fig.9b: eine schematische Darstellung zur Ortsinformation und spektralen Information durch Verschiebung des biologischen Objekts und Beleuchtung mit Photonen unterschiedlicher Wellenlängen mit X größer als das Objekt,
Fig.10: eine schematische Darstellung der Integration von integrierten Strukturen aus ID-Pixel- Arrays gemäß Fig. 4, Fig.l k eine schematische Darstellung der Integration von integrierten Strukturen aus 2D-Pixel- Arrays gemäß Fig. 5,
Fig.12: eine schematische Darstellung zum labelfreien 3D-Imaging, zur Spektroskopie oder zur Polarisationsauflösung Verwendung von SNSPD mit einem dispersives Element und den Wellenlängen
Fig.13: eine schematische Darstellung der Bestimmung der Polarisation eines Einzelphotonens unter Verwendung von SNSPD mit einem Knickwinkel a von optimal 90° und
Fig. 14: eine Darstellung des zeitabhängigen Analogsignals eines sSNSPD‘s bei Bestrahlung mit drei verschiedenen Wellenlängen i =810 nm > X2=520 nm > X3=385 nm.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung umfasst:
- eine lasergesteuerte und/oder -getriebene Lichtquelle in Form eines ultrakurzen Hochleistungslasers für die Erzeugung hoher Oberwellen (HHG) in einer Gasumgebung mit einer Wellenlänge im Bereich von 1 nm bis 124 nm, wobei Laserstrahlung eines optischen parametrischen Verstärkers -OPA- (1) in einem Argon-Gasstrahl (2) fokussiert und durch dünne eine Metallfolie (3) (bspw. Aluminiumfilterfolie) verläuft,
- einen Toroidspiegel (4), welcher die HHG- Strahlung (5) auf einen Zwischenfokus (51) fokussiert und von dem diese dann zum Einzelphotonendetektor SNSPD (6) gelangt,
- eine Probenaufnahme (7) zum ortsgenauem Positionieren einer zu untersuchenden biologischen Probe (71) im Zwischenfokus (51),
- zumindest ein gerader supraleitender Nanodraht (8), welcher auf einen Träger aufgebracht ist (bspw. durch Sputtern), wobei der Nanodraht (8) bspw. eine Niobnitrid-Schicht (NbN-Schicht) ist, welche auf den Träger aus Saphirsubstrat aufgesputtert ist und den Einzelphotonendetektor in Form des SSNSPD (6) ausbildet, wobei dieser Nanodraht (8) vorteilhaft in einen koplanaren Wellenleiter eingebettet ist, der mit einem Bias-Tee verbunden ist, das die Biasund Ausleseleitungen trennt,
- einen Kryokühler (9) mit geschlossenem Kreislauf zum Kühlen des linear, gerade langestreckt verlaufenden, supraleitende Nanodrahts (8) im Temperaturbereich von 1 K bis 4 K, wobei Ultrahochvakuumbedingungen an der Position des kryogenen SNSPD‘s bestehen, um das Einfrieren des Nanodrahts zu verhindern,
- eine Stromquelle für das Anlegen des Bias- Stroms an den linear, gerade langestreckt verlaufenden, supraleitende Nanodraht (8) und
- einen Ausleseverstärker (10) mit Aus Werteeinheit (11) zum Messen des Spannungsimpulses, welcher in Folge des Auftreffens eines Photons auf dem linear, gerade langestreckt verlaufenden, supraleitenden Nanodraht (8) (durch Reduktion des lokalen kritischen Stroms unter den Strom des Bias- Stroms, was zur Bildung eines lokalisierten nicht-supraleitenden Bereichs mit begrenztem elektrischem Widerstand führt, der größer als die Eingangsimpedanz des Ausleseverstärkers (10) ist, so dass der größte Teil des Bias- Stroms zum Ausleseverstärkers (10) abgeleitet wird, was zu dem messbaren Spannungsimpuls führt) entsteht.
Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Bestimmung des Auftreffpunktes eines Einzelphotons gemäß dem Stand der Technik vermittels eines supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonendetektor mit einen mäandrierten Nanodraht aus supraleitendem Material (= Supraleiter). Man sieht dabei die Bestimmung des Auftreffpunktes x des Einzelphotons an dem mäandrierten Einzelphotonendetektor.
Die Bestimmung des Auftreffpunktes des Einzelphotons erfolgt dabei über Messung des Laufzeitunterschiedes im Signal VI (Kontaktpunkt 1) und Signal V2 (Kontaktpunkt 2) wobei gilt:
Länge in x-Richtung L=nM :;72:;:l+S|+s2 mit Si, s2: Länge der Zuleitungen im Mikrowellenleiter und v: Ausbreitungsgeschwindigkeit der Einzelphotonen im Einzelphotonendetektor wobei gilt: x=L*tl/(t2+tl ) und dy=IO pm sowie dx=IO pm und x mit Genauigkeit dx~l sowie y mit Genauigkeit dy~H.
Der erste Nachteil dieser technischen Lösung besteht in der geringen Ortsauflösung in der Detektionsebene entlang der x-Richtung und entlang der y-Richtung, was zu einer geringen Ortsauflösung des Auftreffpunktes des Einzelphotonens führt. Der zweite Nachteil besteht in der geringen Integrierbarkeit der mäandrierten Struktur.
Die Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Bestimmung des Auftreffpunktes eines Einzelphotonens unter Verwendung der Anordnung gemäß Fig. 1 mit einem gerade verlaufenden, supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonendetektor [sSNSPD (straight SNSPD, sSNSPD)].
Man sieht dabei die Bestimmung des Auftreffpunktes x des Einzelphotons an einem geraden Einzelphotonendetektor (straight SNSPD, sSNSPD) mittels der Messung des Laufzeitunterschiedes (At=t2-t|) im Signal VI (Kontaktpunkt 1) und Signal V2 (Kontaktpunkt 2), wobei die Ausdehnung des Auftreffpunktes 0~ Wellenlänge des Einzelphotons entspricht, wobei folgendes gilt: s , s2: Länge der Zuleitungen im Mikrowellenleiter v: Ausbreitungsgeschwindigkeit der Einzelphotonen im Einzelphotonendetektor wobei: t =x/v, t = (L-x)/v und x=L t /(t 4-t ) sowie dy<100 nm und dx~Wellenlänge sowie x mit Genauigkeit dx~0~Wellenlänge des Photons und y mit Genauigkeit dy~H der Breite des Nanodrahtes.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit wird dabei durch den Einsatz des Trägers (Erhöhung der Leitungskapazität CK des Nanodrahtes) und die Verringerung des Querschnitts des Nanodrahtes (Erhöhung der kinetischen Induktivität LK) verringert.
Die Vorteile dieser technischen Lösung bestehen in der hohen Ortsauflösung in der Detektionsebene sowohl in der x-Richtung als auch in der y-Richtungund der damit bestehenden hohen Ortsauflösung des Auftreffpunktes der Einzelphotonen sowie in der hohen Integrierbarkeit. Fig. 4 zeigt die Ausführung als ID-Pixel- Array mit m=l ,..,M Pixeln, wobei jedes Pixel von einem sSNSPD gebildet wird und der optimale Bedeckungsgrad 50% beträgt.
Fig. 5 zeigt die Ausführung als 2D-Pixel-Array mit MxN Pixeln, wobei jedes Pixel von einem sSNSPD gebildet wird und der optimale Bedeckungsgrad der M Pixel: 50%, optimaler Bedeckungsgrad der N Pixel: 50% beträgt.
Die Fig. 6a zeigt die Gewinnung der Ortsinformation durch die Rotation des biologischen Objektes, wobei X ist kleiner als das Objekt ist. Dabei führt der Strahlengang entlang der optischen Achse ausgehend von der EUV/XUV-Quelle durch das biologische Objekt, welches in einem Zylinder eingebettet ist (z-Rotationsachse, z-Verschiebungsachse) auf den sSNSPD (Bucket-Detektor), wobei die monochromatische Beleuchtung mit Photonen einer Wellenlänge X erfolgt, welche kleiner als das Objekt ist.
Die Fig. 6b zeigt die Gewinnung der Ortsinformation durch Rotation des biologischen Objektes, wobei X größer ist als das Objekt. Dabei führt der Strahlengang entlang der optischen Achse ausgehend von der EUV/XUV-Quelle durch das biologische Objekt, welches in einem Zylinder eingebettet ist (z-Rotationsachse, z-Verschiebungsachse) auf den sSNSPD (Bucket-Detektor), wobei die monochromatische Beleuchtung mit Photonen einer Wellenlänge X erfolgt, welche größer als das Objekt ist.
Fig. 7a zeigt die Gewinnung der Ortsinformation durch Verschiebung des Objektes, wobei X kleiner ist als das Obbjekt. Dabei führt der Strahlengang entlang der optischen Achse ausgehend von der EUV/XUV-Quelle durch das Objekt, welches in einem Quader eingebettet ist (x-Verschiebungsachse, z-Verschiebungsachse, y- Verschiebungsachse) auf den sSNSPD (Bucket-Detektor), wobei die monochromatische Beleuchtung mit Photonen einer Wellenlänge X erfolgt, welche kleiner als das Objekt ist. Fig. 7b zeigt die Gewinnung der Ortsinformation durch Verschiebung des Objektes, wobei X größer ist als das Objekt. Dabei führt der Strahlengang entlang der optischen Achse ausgehend von der EUV/XUV-Quelle durch das biologische Objekt, welches in einen Quader eingebettet ist (x-Verschiebungsachse, z-Verschiebungsachse, y- Verschiebungsachse) auf den sSNSPD (Bucket-Detektor), wobei die monochromatische Beleuchtung mit Photonen der Wellenlänge X erfolgt, welche größer als das Objekt ist.
Fig. 8a zeigt die Gewinnung der Ortsinformation und der spektralen Information durch Rotation des Objektes und Beleuchtung mit Photonen verschiedener Wellenlänge, wobei X kleiner als das Objekt ist. Dabei führt der Strahlengang entlang der optischen Achse ausgehend von der EUV/XUV-Quelle durch das biologische Objekt, welches in Zylinder eingebettet ist (z-Rotationsachse, z-Verschiebungsachse) auf den sSNSPD (Bucket-Detektor).
Dies erfolgt bei einer normalen Dispersion dn/dX<0 mit n2(Xi)>n2(X.)>n2(XN) und n <n wobei: die Beleuchtung mit Photonen der Wellenlänge durchgeführt wird.
Fig.8b zeigt die Gewinnung der Ortsinformation und der spektralen Information durch Rotation des Objektes und Beleuchtung mit Photonen verschiedener Wellenlänge, wobei X größer als das Objekt ist. Dabei führt der Strahlengang entlang der optischen Achse ausgehend von der EUV/XUV-Quelle durch das Objekt, welches in Zylinder eingebettet ist (z-Rotationsachse, z-Verschiebungsachse) auf den sSNSPD (Bucket- Detektor), wobei die Beleuchtung mit Photonen der Wellenlänge X < X ,...X,...X <X erfolgt.
Fig. 9a zeigt die Gewinnung der Ortsinformation und der spektralen Information durch Verschiebung des biologischen Objektes und bei Beleuchtung mit Photonen verschiedener Wellenlänge, wobei X kleiner als das Objekt ist. Dabei führt der Strahlengang entlang der optischen Achse ausgehend von der EUV/XUV-Quelle durch das Objekt, welches in einem Quader eingebettet ist (x-Verschiebungsachse, z- Verschiebungsachse, y- Verschiebungsachse) auf den sSNSPD (Bucket- Detektor).
Dies erfolgt bei normaler Dispersion dn/dX<0 mit n ( )>n ( )>n ( ) und n <n , wobei die Beleuchtung mit Photonen der Wellenlänge erfolgt.
Fig. 9b zeigt die Gewinnung der Ortsinformation und der spektralen Information durch Verschiebung des biologischen Objektes und Beleuchtung mit Photonen verschiedener Wellenlänge, wobei X größer als das Objekt ist. Dabei führt der Strahlengang entlang der optischen Achse ausgehend von der EUV/XUV-Quelle durch das Objekt, welches in einem Quader eingebettet ist (x-Verschiebungsachse, z- Verschiebungsachse, y-Verschiebungsachse) auf den sSNSPD (Bucket- Detektor), wobei die Beleuchtung mit Photonen der Wellenlänge X <X ,...X,...X <X erfolgt.
In der Fig 10 ist die Integration einer Vielzahl von Anordnung der 1D- Pixel-Arrays mit M Pixeln in eine sSNSPD-Struktur bestehend aus AxB ID-Pixel- Arrays IDPA (i,j), i= l ... A und j= l ...B dargestellt.
In der Fig. 11 ist die Integration einer Vielzahl von Anordnung der 2D- Pixel-Arrays mit mit MxN Pixeln mit sSNSPD-Struktur bestehend aus AxB 2D-Pixel- Arrays [2DPA (i,j), i= l ... A und j = 1 ...B]
Fig. 12 zeigt den Einsatz eines dispersiven Elementes, z.B. Fresnelzonenplatte, zum labelfreien 3D-Imaging, zur Spektroskopie und zur Polarisationsauflösung. Dabei führt der Strahlengang entlang der optischen Achse ausgehend von der EUV/XUV-Quelle durch das Objekt, eine dispersives Element auf den sSNSPD (Bucket-Detektor) wobei die Beleuchtung mit Photonen der Wellenlänge
<X erfolgt. Fig. 13 zeigt die Detektion der Polarisation des Einzelphotons mittels sSNSPD mit mindestens einem Knick und einem Knickwinkel oc von optimal oc=90°
Die Lasergesteuerte und/oder -getriebene Lichtquelle im extrem ultravioletten Bereich (EUV) und im weichen Röntgenbereich (SXR) mit Erzeugung hoher Harmonischer (HHG), ermöglicht eine nanoskopische Bildgebung mit einzigartigem markierungsfreiem Elementarkontrast und eine bereit gestellte Detektoranordnung.
Durch die bereitgestellten supraleitenden Nanodraht- Einzelphotonendetektoren (SNSPD) wird die Detektion und Zählung einzelner Photonen ermöglicht, wobei diese Detektoren dark-count-frei sind sowie sehr hohe Zählraten und somit hohe Auslesegeschwindigkeiten (ereignisbasiert nach jedem Laserpuls) ermöglichen, was eine perfekte Ergänzung für HHG-Quellen mit hoher Repetitionsrate darstellt und einen hohen SNR ermöglicht, der nur durch das Photonen-Schrotrauschen begrenzt ist.
Zusätzlich zu den Vorteilen von SNSPDs für klassische Bildgebungsan Wendungen mit lasergetriebenen EUV-Quellen ebnet die Fähigkeit der bereitgestellten Anordnung, einzelne Photonen zu detektieren und zu zählen, den Weg für vielversprechende Anwendungen in der Quantenoptik und Quantenbildgebung mit hochenergetischer Strahlung, wie z.B. Quanten-Ghost-Imaging mit nanoskaliger Auflösung.
Von Vorteil ist hierbei, dass die Empfindlichkeit des EUV-Detektors für linsenlose Abbildungsmethoden sehr hoch ist, wobei die Auflösung direkt mit der Anzahl der detektierten Photonen, d.h. dem Signal- Rausch- Verhältnis (SNR), skaliert und ein hohes SNR in der Regel durch einen hohen Photonenfluss, eine hohe Quanteneffizienz und lange Belichtungszeiten, über die der Photonenfluss integriert wird, erreicht wird.
Des Weiteren ist es von Vorteil, dass die Erholungszeit der Anordnung im Bereich von wenigen Nanosekunden oder sogar Pikosekunden liegt, so dass sogar SNSPD- Zählraten von bis zu mehreren GHz erreicht werden, wobei die SNSPDs perfekt zu den Wiederholraten moderner Hochfluss-HHG-Quellen passen, welche mit einer Wiederholrate von mehreren 100 kHz betrieben werden, und die SNSPDs dabei eine außerordentlich niedrige Dunkelzählrate aufweisen, was eine untergrundfreie Detektion ermöglicht.
Fig. 14 zeigt beispielhaft ein zeitabhängiges Analogsignal eines sSNSPD im Maximum im Zeitbereich von 0 bis 110 ns (Fig. 14a) und von 14 bis 30 ns (Fig. 14b) sowie im Minimum im Zeitbereich von 0 bis 110 ns (Fig. 14c) und von 37 bis 84 ns. Von Vorteil ist, dass sowohl der Wert des Analogsignals im Maximum (Fig. 14b) als auch der Wert des Analogsignals im Minimum (Fig. 14d) systematisch von der Wellenlänge abhängen. Der Wert des Analogsignals im Maximum (Fig. 14b) steigt mit zunehmender Wellenlänge. Der Wert des Analogsignals im Minimum (Fig. 14d) wird kleiner mit zunehmender Wellenlänge.
Aus einer Analyse des zeitabhängigen Analogsignal für einen sSNSPD werden die Parameter
- Kinetische Induktivität des sSNSPD, die nur vom Material und von der Geometrie des sSNSPD abhängt, und von der Abhängigkeit des Analogsignals von dem Bias-Strom, z.B. wenn der Bias-Strom 80%, 85%, 90% oder 92,5% des kritischen Stromes beträgt, bestimmt wird.
- Thermische Kapazität des sSNSPD, die nur vom Material und von der Geometrie des sSNSPDs abhängt, und aus der Abhängigkeit des Analogsignals von dem Vorspannungsstrom, z.B. wenn der Vorspannungsstrom 80%, 85%, 90% oder 92,5% des kritischen Stromes beträgt, bestimmt wird.
- Widerstand des sSNSPD zum Zeitpunkt, wenn die Temperatur im Hot spot des sSNSPD nach Absorption eines Einzelphotons der Wellenlänge X ihr Maximum durchläuft. Der Widerstand im Maximum des Analogsignals hängt von der Wellenlänge des Einzelphotons ab.
Von Vorteil ist hierbei, dass die kinetische Induktivität, die thermische Kapazität und der wellenlängenabhängige Widerstand im Maximum des Analogsignals in einer Kalibrationsmessung bestimmt werden können und dass eine Analyse des Analogsignals eine spektrale Information über die Wellenlänge des absorbierten Einzelphotons liefert.
1 - optischer parametrischer Verstärker (OPA)
2 - Argon-Gasstrahl
3 - Metallfolie
4 - Toroidspiegel
5 - Elektronenstrahlung
51 - Zwischenfokus
6 - Einzelphotonendetektor in Form eines SNSPD
= supraleitende Nanodraht-Einzelphotonen- detektor
7 - Probenaufnahme
8 - Nanodraht
9 - Kryokühler
10 - Ausleseverstärker
11 - Auswerteeinheit
VI, V2 - Spannungspulse an den beiden Enden des sSNSPD sSNSPD - straight superconducting single nanowire photodetector
(gerader, langgestreckter supraleitender
Nanodraht-Einzelphotonendetektor)

Claims

- 29 - Patentansprüche
1. Anordnung zur markierungsfreien 3D- Bildgebung mit einer Ortsauflösung im Sub-pm-Bereich umfassend
- eine lasergesteuerte und/oder -getriebene Lichtquelle in Form eines ultrakurzen Hochleistungslasers für die Erzeugung hoher Oberwellen in einer Gasumgebung mit einer Wellenlänge im Bereich von 1 nm bis 124 nm, wobei Laserstrahlung eines optischen parametrischen Verstärkers (1) in einem Argon- Gasstrahl (2) fokussiert und die im Fokus erzeugten hohen Oberwellen im Gas = eine HHG-Strahlung (5) durch eine dünne Metallfolie (3) verläuft,
- einen Toroidspiegel (4), welcher die HHG-Strahlung (5) auf einen Zwischenfokus (51) fokussiert und von dem diese dann zu einem Einzelphotonendetektor in Form eines supraleitenden Nanodraht- Einzelphotonendetektors = SNSPD (6) gelangt und
- eine Probenaufnahme (7) zum ortsgenauem Positionieren einer zu untersuchenden Probe im Zwischenfokus (51), dadurch gekennzeichnet, dass
- der SNSPD (6) zumindest ein gerader, langgestreckter supraleitender Nanodraht (8) auf einem Träger ist und einen kryogenen sSNSPD ausbildet, wobei
- dieser Nanodraht (8) in einen koplanaren Wellenleiter eingebettet ist, der mit einem Bias-Tee verbunden ist, das die Vorspannungsund Ausleseleitungen trennt und das separate Auslesen von Spannungspulsen an beiden Enden des sSNSPD ermöglicht,
- ein Kryokühler (9) mit geschlossenem Kreislauf zum Kühlen des Nanodrahts (8) im Temperaturbereich von 1 K bis 4 K vorhanden ist, wobei Ultrahochvakuumbedingungen an der Position des kryogenen sSNSPD ‘s bestehen, um das Ausfrieren von Restgas aus der HHG-Quelle an der Position des Nanodrahts (8) zu verhindern,
- eine Stromquelle für das Anlegen des Bias-Stroms an den Nanodraht (8) vorhanden ist, und
- ein Ausleseverstärker (10) mit Aus Werteeinheit (11) zum Messen der Spannungsimpulse (VI und V2) an den beiden Enden des - 30 - sSNSPD vorhanden ist, welche in Folge des Auftreffens eines Photons auf dem linear, gerade langestreckt verlaufenden, supraleitenden Nanodraht (8) entstehen.
2. Anordnung zum markierungsfreien 3D- Bildgebung gemäß Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nanodraht (8) eine supraleitende Schicht ist, welche auf den Träger aufgebracht ist und den sSNSPD ausbildet.
3. Anordnung zum markierungsfreien 3D- Bildgebung gemäß Anspruch
2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger aus Saphirsubstrat besteht und die supraleitende Schicht eine Niobnitrid-Schicht ist, die auf das Saphirsubstrat aufgesputtert ist.
4. Anordnung zum markierungsfreien 3D- Bildgebung gemäß Anspruch
3, dadurch gekennzeichnet, dass Niobnitrid-Schicht 3 bis 20 nm dick und 50 bis 200 nm breit ist.
5. Anordnung zum markierungsfreien 3D- Bildgebung gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolie (3) eine Aluminiumfilterfolie mit einem Transmissionsfenster von 15 -72 eV ist.
6. Anordnung zum markierungsfreien 3D- Bildgebung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die sSNSPD in ID-Pixel- Arrays mit m = 1, .... M Pixeln von sSNSPD’ s oder als 2D-Pixel-Arrays mit M x N Pixeln ausgebildet sind, wobei jedes Pixel von einem sSNSPD gebildet wird, und der optimale Bedeckungsgrad der Pixel 50% beträgt.
7. Verfahren unter Verwendung einer Anordnung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 6, bei dem
- die Laserstrahlung des optischen parametrischen Verstärkers in dem Argon-Gasstrahl fokussiert wird, um EUV-Strahlung zu erzeugen,
- die erzeugte EUV-Strahlung durch die dünne Metallfolie geführt wird, wobei die so gebildete HHG-Quelle mit Laserpulsen mit einer zentralen Wellenlänge im Bereich von 1300 nm, einer Pulsenergie im Bereich von 2 mJ, einer Pulsdauer im Bereich von 50 fs und einer Wiederholrate im Bereich von 1 kHz betrieben wird, so dass ein HHG-Prozess ausgelöst wird, wodurch eine Mischung aus EUV- Strahlung mit einer harmonischen Kammstruktur und restlichem Infrarot-Laserlicht entsteht und EUV-Photonen bis zu einer Energie von 100 eV erzeugt werden,
- diese EUV-Strahlung durch dünne Metallfolien von dem restlichen Infrarot-Laserlicht getrennt wird, wobei EUV-Photonen im Bereich von 15 bis 72 eV durch eine Aluminiumfolie und oberhalb von 60 eV durch eine Zirkoniumfolie durchgelassen wird und durch differentielles Abpumpen einer Restgaslast aus dem Gasstrahl in der HHG- Kammer erfolgt,
- wobei der HHG-Strahl (5) durch den Toroidspiegel (4) auf den Zwischenfokus (51) fokussiert wird, in welchem eine zu untersuchende biologische Probe gelagert und mit Wellenlängen zwischen 0,1 und 121 nm bestrahlt wird,
- der HHG-Strahl (5) von dort aus dann zu dem kryogenen sSNSPD mit dem Nanodraht (8) gelangt, an welchem der Bias-Strom angelegt ist,
- mit dem Ausleseverstärker (10) mit Aus Werteeinheit ein
Spannungsimpuls gemessen wird, welcher in Folge des Auftreffens eines Photons auf dem linear, gerade langestreckt verlaufenden, supraleitenden Nanodraht (8) entsteht und
- abschließend die Spannungsimpulse (VI und V2) bildlich dargestellt werden. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Analyse eines Analogsignals des sSNSPD erfolgt, in dem
- der Spannungspuls (VI), der Spannungspuls (V2) oder die Spannungspulse (VI und V2) zu einer Extraktion einer kinetischen Induktivität und einer thermischen Kapazität des sSNSPD, die nur vom Material und von der Geometrie des sSNSPD abhängen, und
- der Spannungspuls (VI), der Spannungspuls (V2) oder die Spannungspulse (VI und V2) zur Extraktion eines Widerstandes des sSNSPD zu einem Zeitpunkt, wenn eine Temperatur in einem am heißen Punkt des sSNSPD ihr Maximum durchläuft, verwendet werden, um abschließend die Bestimmung einer Wellenlänge eines absorbierten Einzelphotons aus einer Analyse des Widerstandes vorzunehmen. 9. Verwendung der Anordnung gemäß einem oder mehrerer der
Ansprüche 1 bis 6 sowie des Verfahrens gemäß der Ansprüche 7 oder 8 zum markierungsfreien 3D- Bildgebung mittels Photonenzählung von EUV/SXR- Strahlung aus lasergesteuerten hochharmonischen Quellen, welche auf biologisches Material trifft.
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