Abstract

We present a high-resolution in situ imaging and localization method of energetic particle beams. Recording of the scattered radiation from a thin featureless foil, placed in the path of the beam, and taken with a pinhole or coded aperture camera arrangement magnifies beam movements at the sensor. At the same time, a magnified image of the beam is available with an exceptional signal-to-noise ratio. We show measurement results of the level of precision that can be achieved and compare them to theoretical limits based on the signal-to-noise levels.

© 2011 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. R. W. Alkire, G. Rosenbaum, and G. Evans, J. Synchrotron Radiat. 7, 61 (2000).
    [CrossRef]
  2. J. R. Chen, T. S. Ueng, G. Y. Hsiung, G. Y. Lin, C. T. Lee, S. L. Tsai, and S. L. Chang, J. Synchrotron Radiat. 5, 621 (1998).
    [CrossRef]
  3. P. Revesz and J. A. White, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 540, 470 (2005).
    [CrossRef]
  4. S. H. Southworth and P. L. Cowan, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 319, 51 (1992).
    [CrossRef]
  5. R. G. van Silfhout, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 403, 153 (1998).
    [CrossRef]
  6. M. R. Fuchs, K. Holldack, M. Bullough, S. Walsh, C. Wilburn, A. Erko, F. Schafers, and U. Mueller, Rev. Sci. Instrum. 79, 063103 (2008).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. P. Bergonzo, D. Tromson, and C. Mer, J. Synchrotron Radiat. 13, 151 (2006).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. A. N. Artemiev, S. Latushkin, V. Mikhailov, V. Reznov, and L. Yudin, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 477, 335(2002).
    [CrossRef]
  9. R. G. van Silfhout, J. Synchrotron Radiat. 6, 1071 (1999).
    [CrossRef]
  10. N. R. Kyele, R. G. van Silfhout, S. Manolopoulos, and S. Nikitenko, J. Appl. Phys. 101, 064901 (2007).
    [CrossRef]
  11. N. Bobroff, Rev. Sci. Instrum. 57, 1152 (1986).
    [CrossRef]
  12. R. G. van Silfhout and A. S. Kachatkou, Nucl Instrun Methods 597, 266 (2008).
    [CrossRef]
  13. P. F. I. Scott, A. S. Kachatkou, N. R. Kyele, and R. G. van Silfhout, Opt. Eng. 48, 073601 (2009).
    [CrossRef]
  14. S. Nikitenko, A. M. Beale, A. M. J. van der Eerden, S. D. M. Jacques, O. Leynaud, M. G. O’Brien, D. Detollenaere, R. Kaptein, B. M. Weckhuysen, and W. Bras, J. Synchrotron Radiat. 15, 632 (2008).
    [CrossRef] [PubMed]

2009 (1)

P. F. I. Scott, A. S. Kachatkou, N. R. Kyele, and R. G. van Silfhout, Opt. Eng. 48, 073601 (2009).
[CrossRef]

2008 (3)

S. Nikitenko, A. M. Beale, A. M. J. van der Eerden, S. D. M. Jacques, O. Leynaud, M. G. O’Brien, D. Detollenaere, R. Kaptein, B. M. Weckhuysen, and W. Bras, J. Synchrotron Radiat. 15, 632 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

R. G. van Silfhout and A. S. Kachatkou, Nucl Instrun Methods 597, 266 (2008).
[CrossRef]

M. R. Fuchs, K. Holldack, M. Bullough, S. Walsh, C. Wilburn, A. Erko, F. Schafers, and U. Mueller, Rev. Sci. Instrum. 79, 063103 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

2007 (1)

N. R. Kyele, R. G. van Silfhout, S. Manolopoulos, and S. Nikitenko, J. Appl. Phys. 101, 064901 (2007).
[CrossRef]

2006 (1)

P. Bergonzo, D. Tromson, and C. Mer, J. Synchrotron Radiat. 13, 151 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

2005 (1)

P. Revesz and J. A. White, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 540, 470 (2005).
[CrossRef]

2002 (1)

A. N. Artemiev, S. Latushkin, V. Mikhailov, V. Reznov, and L. Yudin, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 477, 335(2002).
[CrossRef]

2000 (1)

R. W. Alkire, G. Rosenbaum, and G. Evans, J. Synchrotron Radiat. 7, 61 (2000).
[CrossRef]

1999 (1)

R. G. van Silfhout, J. Synchrotron Radiat. 6, 1071 (1999).
[CrossRef]

1998 (2)

J. R. Chen, T. S. Ueng, G. Y. Hsiung, G. Y. Lin, C. T. Lee, S. L. Tsai, and S. L. Chang, J. Synchrotron Radiat. 5, 621 (1998).
[CrossRef]

R. G. van Silfhout, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 403, 153 (1998).
[CrossRef]

1992 (1)

S. H. Southworth and P. L. Cowan, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 319, 51 (1992).
[CrossRef]

1986 (1)

N. Bobroff, Rev. Sci. Instrum. 57, 1152 (1986).
[CrossRef]

Alkire, R. W.

R. W. Alkire, G. Rosenbaum, and G. Evans, J. Synchrotron Radiat. 7, 61 (2000).
[CrossRef]

Artemiev, A. N.

A. N. Artemiev, S. Latushkin, V. Mikhailov, V. Reznov, and L. Yudin, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 477, 335(2002).
[CrossRef]

Beale, A. M.

S. Nikitenko, A. M. Beale, A. M. J. van der Eerden, S. D. M. Jacques, O. Leynaud, M. G. O’Brien, D. Detollenaere, R. Kaptein, B. M. Weckhuysen, and W. Bras, J. Synchrotron Radiat. 15, 632 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Bergonzo, P.

P. Bergonzo, D. Tromson, and C. Mer, J. Synchrotron Radiat. 13, 151 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Bobroff, N.

N. Bobroff, Rev. Sci. Instrum. 57, 1152 (1986).
[CrossRef]

Bras, W.

S. Nikitenko, A. M. Beale, A. M. J. van der Eerden, S. D. M. Jacques, O. Leynaud, M. G. O’Brien, D. Detollenaere, R. Kaptein, B. M. Weckhuysen, and W. Bras, J. Synchrotron Radiat. 15, 632 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Bullough, M.

M. R. Fuchs, K. Holldack, M. Bullough, S. Walsh, C. Wilburn, A. Erko, F. Schafers, and U. Mueller, Rev. Sci. Instrum. 79, 063103 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Chang, S. L.

J. R. Chen, T. S. Ueng, G. Y. Hsiung, G. Y. Lin, C. T. Lee, S. L. Tsai, and S. L. Chang, J. Synchrotron Radiat. 5, 621 (1998).
[CrossRef]

Chen, J. R.

J. R. Chen, T. S. Ueng, G. Y. Hsiung, G. Y. Lin, C. T. Lee, S. L. Tsai, and S. L. Chang, J. Synchrotron Radiat. 5, 621 (1998).
[CrossRef]

Cowan, P. L.

S. H. Southworth and P. L. Cowan, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 319, 51 (1992).
[CrossRef]

Detollenaere, D.

S. Nikitenko, A. M. Beale, A. M. J. van der Eerden, S. D. M. Jacques, O. Leynaud, M. G. O’Brien, D. Detollenaere, R. Kaptein, B. M. Weckhuysen, and W. Bras, J. Synchrotron Radiat. 15, 632 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Erko, A.

M. R. Fuchs, K. Holldack, M. Bullough, S. Walsh, C. Wilburn, A. Erko, F. Schafers, and U. Mueller, Rev. Sci. Instrum. 79, 063103 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Evans, G.

R. W. Alkire, G. Rosenbaum, and G. Evans, J. Synchrotron Radiat. 7, 61 (2000).
[CrossRef]

Fuchs, M. R.

M. R. Fuchs, K. Holldack, M. Bullough, S. Walsh, C. Wilburn, A. Erko, F. Schafers, and U. Mueller, Rev. Sci. Instrum. 79, 063103 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Holldack, K.

M. R. Fuchs, K. Holldack, M. Bullough, S. Walsh, C. Wilburn, A. Erko, F. Schafers, and U. Mueller, Rev. Sci. Instrum. 79, 063103 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Hsiung, G. Y.

J. R. Chen, T. S. Ueng, G. Y. Hsiung, G. Y. Lin, C. T. Lee, S. L. Tsai, and S. L. Chang, J. Synchrotron Radiat. 5, 621 (1998).
[CrossRef]

Jacques, S. D. M.

S. Nikitenko, A. M. Beale, A. M. J. van der Eerden, S. D. M. Jacques, O. Leynaud, M. G. O’Brien, D. Detollenaere, R. Kaptein, B. M. Weckhuysen, and W. Bras, J. Synchrotron Radiat. 15, 632 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Kachatkou, A. S.

P. F. I. Scott, A. S. Kachatkou, N. R. Kyele, and R. G. van Silfhout, Opt. Eng. 48, 073601 (2009).
[CrossRef]

R. G. van Silfhout and A. S. Kachatkou, Nucl Instrun Methods 597, 266 (2008).
[CrossRef]

Kaptein, R.

S. Nikitenko, A. M. Beale, A. M. J. van der Eerden, S. D. M. Jacques, O. Leynaud, M. G. O’Brien, D. Detollenaere, R. Kaptein, B. M. Weckhuysen, and W. Bras, J. Synchrotron Radiat. 15, 632 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Kyele, N. R.

P. F. I. Scott, A. S. Kachatkou, N. R. Kyele, and R. G. van Silfhout, Opt. Eng. 48, 073601 (2009).
[CrossRef]

N. R. Kyele, R. G. van Silfhout, S. Manolopoulos, and S. Nikitenko, J. Appl. Phys. 101, 064901 (2007).
[CrossRef]

Latushkin, S.

A. N. Artemiev, S. Latushkin, V. Mikhailov, V. Reznov, and L. Yudin, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 477, 335(2002).
[CrossRef]

Lee, C. T.

J. R. Chen, T. S. Ueng, G. Y. Hsiung, G. Y. Lin, C. T. Lee, S. L. Tsai, and S. L. Chang, J. Synchrotron Radiat. 5, 621 (1998).
[CrossRef]

Leynaud, O.

S. Nikitenko, A. M. Beale, A. M. J. van der Eerden, S. D. M. Jacques, O. Leynaud, M. G. O’Brien, D. Detollenaere, R. Kaptein, B. M. Weckhuysen, and W. Bras, J. Synchrotron Radiat. 15, 632 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Lin, G. Y.

J. R. Chen, T. S. Ueng, G. Y. Hsiung, G. Y. Lin, C. T. Lee, S. L. Tsai, and S. L. Chang, J. Synchrotron Radiat. 5, 621 (1998).
[CrossRef]

Manolopoulos, S.

N. R. Kyele, R. G. van Silfhout, S. Manolopoulos, and S. Nikitenko, J. Appl. Phys. 101, 064901 (2007).
[CrossRef]

Mer, C.

P. Bergonzo, D. Tromson, and C. Mer, J. Synchrotron Radiat. 13, 151 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Mikhailov, V.

A. N. Artemiev, S. Latushkin, V. Mikhailov, V. Reznov, and L. Yudin, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 477, 335(2002).
[CrossRef]

Mueller, U.

M. R. Fuchs, K. Holldack, M. Bullough, S. Walsh, C. Wilburn, A. Erko, F. Schafers, and U. Mueller, Rev. Sci. Instrum. 79, 063103 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Nikitenko, S.

S. Nikitenko, A. M. Beale, A. M. J. van der Eerden, S. D. M. Jacques, O. Leynaud, M. G. O’Brien, D. Detollenaere, R. Kaptein, B. M. Weckhuysen, and W. Bras, J. Synchrotron Radiat. 15, 632 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

N. R. Kyele, R. G. van Silfhout, S. Manolopoulos, and S. Nikitenko, J. Appl. Phys. 101, 064901 (2007).
[CrossRef]

O’Brien, M. G.

S. Nikitenko, A. M. Beale, A. M. J. van der Eerden, S. D. M. Jacques, O. Leynaud, M. G. O’Brien, D. Detollenaere, R. Kaptein, B. M. Weckhuysen, and W. Bras, J. Synchrotron Radiat. 15, 632 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Revesz, P.

P. Revesz and J. A. White, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 540, 470 (2005).
[CrossRef]

Reznov, V.

A. N. Artemiev, S. Latushkin, V. Mikhailov, V. Reznov, and L. Yudin, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 477, 335(2002).
[CrossRef]

Rosenbaum, G.

R. W. Alkire, G. Rosenbaum, and G. Evans, J. Synchrotron Radiat. 7, 61 (2000).
[CrossRef]

Schafers, F.

M. R. Fuchs, K. Holldack, M. Bullough, S. Walsh, C. Wilburn, A. Erko, F. Schafers, and U. Mueller, Rev. Sci. Instrum. 79, 063103 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Scott, P. F. I.

P. F. I. Scott, A. S. Kachatkou, N. R. Kyele, and R. G. van Silfhout, Opt. Eng. 48, 073601 (2009).
[CrossRef]

Southworth, S. H.

S. H. Southworth and P. L. Cowan, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 319, 51 (1992).
[CrossRef]

Tromson, D.

P. Bergonzo, D. Tromson, and C. Mer, J. Synchrotron Radiat. 13, 151 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Tsai, S. L.

J. R. Chen, T. S. Ueng, G. Y. Hsiung, G. Y. Lin, C. T. Lee, S. L. Tsai, and S. L. Chang, J. Synchrotron Radiat. 5, 621 (1998).
[CrossRef]

Ueng, T. S.

J. R. Chen, T. S. Ueng, G. Y. Hsiung, G. Y. Lin, C. T. Lee, S. L. Tsai, and S. L. Chang, J. Synchrotron Radiat. 5, 621 (1998).
[CrossRef]

van der Eerden, A. M. J.

S. Nikitenko, A. M. Beale, A. M. J. van der Eerden, S. D. M. Jacques, O. Leynaud, M. G. O’Brien, D. Detollenaere, R. Kaptein, B. M. Weckhuysen, and W. Bras, J. Synchrotron Radiat. 15, 632 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

van Silfhout, R. G.

P. F. I. Scott, A. S. Kachatkou, N. R. Kyele, and R. G. van Silfhout, Opt. Eng. 48, 073601 (2009).
[CrossRef]

R. G. van Silfhout and A. S. Kachatkou, Nucl Instrun Methods 597, 266 (2008).
[CrossRef]

N. R. Kyele, R. G. van Silfhout, S. Manolopoulos, and S. Nikitenko, J. Appl. Phys. 101, 064901 (2007).
[CrossRef]

R. G. van Silfhout, J. Synchrotron Radiat. 6, 1071 (1999).
[CrossRef]

R. G. van Silfhout, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 403, 153 (1998).
[CrossRef]

Walsh, S.

M. R. Fuchs, K. Holldack, M. Bullough, S. Walsh, C. Wilburn, A. Erko, F. Schafers, and U. Mueller, Rev. Sci. Instrum. 79, 063103 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Weckhuysen, B. M.

S. Nikitenko, A. M. Beale, A. M. J. van der Eerden, S. D. M. Jacques, O. Leynaud, M. G. O’Brien, D. Detollenaere, R. Kaptein, B. M. Weckhuysen, and W. Bras, J. Synchrotron Radiat. 15, 632 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

White, J. A.

P. Revesz and J. A. White, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 540, 470 (2005).
[CrossRef]

Wilburn, C.

M. R. Fuchs, K. Holldack, M. Bullough, S. Walsh, C. Wilburn, A. Erko, F. Schafers, and U. Mueller, Rev. Sci. Instrum. 79, 063103 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Yudin, L.

A. N. Artemiev, S. Latushkin, V. Mikhailov, V. Reznov, and L. Yudin, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 477, 335(2002).
[CrossRef]

J. Appl. Phys. (1)

N. R. Kyele, R. G. van Silfhout, S. Manolopoulos, and S. Nikitenko, J. Appl. Phys. 101, 064901 (2007).
[CrossRef]

J. Synchrotron Radiat. (5)

P. Bergonzo, D. Tromson, and C. Mer, J. Synchrotron Radiat. 13, 151 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

R. W. Alkire, G. Rosenbaum, and G. Evans, J. Synchrotron Radiat. 7, 61 (2000).
[CrossRef]

J. R. Chen, T. S. Ueng, G. Y. Hsiung, G. Y. Lin, C. T. Lee, S. L. Tsai, and S. L. Chang, J. Synchrotron Radiat. 5, 621 (1998).
[CrossRef]

R. G. van Silfhout, J. Synchrotron Radiat. 6, 1071 (1999).
[CrossRef]

S. Nikitenko, A. M. Beale, A. M. J. van der Eerden, S. D. M. Jacques, O. Leynaud, M. G. O’Brien, D. Detollenaere, R. Kaptein, B. M. Weckhuysen, and W. Bras, J. Synchrotron Radiat. 15, 632 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Nucl Instrun Methods (1)

R. G. van Silfhout and A. S. Kachatkou, Nucl Instrun Methods 597, 266 (2008).
[CrossRef]

Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A (4)

P. Revesz and J. A. White, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 540, 470 (2005).
[CrossRef]

S. H. Southworth and P. L. Cowan, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 319, 51 (1992).
[CrossRef]

R. G. van Silfhout, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 403, 153 (1998).
[CrossRef]

A. N. Artemiev, S. Latushkin, V. Mikhailov, V. Reznov, and L. Yudin, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 477, 335(2002).
[CrossRef]

Opt. Eng. (1)

P. F. I. Scott, A. S. Kachatkou, N. R. Kyele, and R. G. van Silfhout, Opt. Eng. 48, 073601 (2009).
[CrossRef]

Rev. Sci. Instrum. (2)

N. Bobroff, Rev. Sci. Instrum. 57, 1152 (1986).
[CrossRef]

M. R. Fuchs, K. Holldack, M. Bullough, S. Walsh, C. Wilburn, A. Erko, F. Schafers, and U. Mueller, Rev. Sci. Instrum. 79, 063103 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

Schematic of the beam imaging instrument (not drawn to scale). The x-ray beam hits a foil tilted at an angle α with respect to the incident beam. Scattered radiation passes through a pinhole and is recorded by an x-ray imaging sensor positioned below the pinhole. Any beam displacements are magnified at the sensor.

Fig. 2
Fig. 2

Calculations (solid curve) for expected resolution of the setup in measuring the actual beam displacement using α = 24 ° . Other model parameters: maximum pixel intensity for L / D = 2 is 150 arbitrary units (abu), image background level is 2.0 abu , pinhole diameter 500 μm , and read-out noise σ r = 1.74 abu . The inset shows the same calculations for maximum pixel intensity of 500 abu . The dashed curve shows the same result for the case where the peak intensity of the profiles is kept constant.

Fig. 3
Fig. 3

False color x-ray beam image ( x z plane) taken using a cross-shaped aperture (upper frame). The image shows the deconvolution of the measured data taken at a focused bending magnet beamline BM26A and the known laser cut cross-shaped aperture. The lower frame shows the integrated horizontal beam profile.

Tables (1)

Tables Icon

Table 1 Comparison of Calculated and Measured Resolution a

Equations (2)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

Δ x δ x = L D ,
Δ y δ z = L D 1 tan α 1 ( 1 + δ z / D ) ,

Metrics