CN103383363B - 微衍射 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于测量具有样品表面的样品的X射线衍射的方法和装置。X射线衍射方法在样品(10)的表面(14)上沿着照射带(16)照射射束(4)。X射线被所述样品(10)衍射并通过具有基本上垂直于所述带(16)延伸的狭缝的掩模(20)。通过二维X射线检测器检测X射线，从而测量沿着所述带(16)的不同位置的衍射X射线。

Description

微衍射

技术领域

本发明涉及一种X射线衍射的方法和装置。

背景技术

X射线衍射是一种众所周知的用于材料分析的技术。在许多情况下，不只是在样品上的一个点处而是在样品表面上的多个点处进行材料分析是有用的。对于在整个表面上不是均匀晶体的样品尤其如此。

在这种情况下，进行以非常小的点照射样品的X射线衍射从而使在该点处能够测量衍射通常是必要的。这产生了很多困难。所述点通常使用一个针孔或其它专用于微衍射的X射线光学器件来实现，这会导致很低的X射线强度。此外，为了使样品的其它区域成像，有必要移动所述样品(或等同地移动所述斑点)，这需要精确的样品定位可能性(样品台)。然而，在高分辨率的情况下，样品每次被移动时样品可能需要非常精确的调整，这尤其是困难的。因此，横跨样品的表面测量X射线衍射是非常困难并且耗时的工作。

因此，需要一种改进的测量样品的X射线衍射的技术。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于测量具有样品表面的样品的X射线衍射的方法，所述方法包括：

a)沿着照射带照射X射线束，所述照射带在y方向上沿着样品的表面延伸；

b)使被所述样品沿着所述照射带衍射的X射线通过位于所述样品和二维检测器之间的掩模，所述掩模具有基本上垂直于所述y方向延伸的狭缝，从而使从沿着所述照射带的不同位置衍射的X射线在所述二维X射线检测器上沿着所述y方向的不同位置处被接收；和

c)在所述二维X射线检测器处检测被所述样品衍射的X射线，从而在所述二维检测器处沿着所述y方向的不同位置对应于沿着所述照射带的不同位置，在所述二维X射线检测器上与线方向垂直的方向z’上的不同位置对应于不同的衍射角2θ。

通过照射所述样品上的带，使用在正确方向上对准的掩模和二维X射线检测器，可以在沿着所述照射带的多个位置处基本上同时测量X射线衍射图案。

可以使用源狭缝(source slit)来产生所述照射带。所述源狭缝可以被移动，以移动样品上的所述照射带，从而沿着不同带容易地测量X射线衍射图案。因此，在x和y方向上横跨样品的表面的衍射图案可以相对容易地被测量。作为可选方案，可以使用可替换的准直X射线光学器件。

作为所述样品和所述二维X射线检测器之间的距离的一部分的所述掩模和所述样品之间的距离可以被改变，以改变被所述二维X射线检测器成像的照射带的长度。

本发明还涉及一种如权利要求8所述的X射线衍射装置，其适用于实现上述的方法。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在将参考附图来描述实施例，在附图中：

图1是本发明的第一实施例的透视图；

图2是图1的布置的侧视图；

图3示出使用本发明得到的结果；

图4示出一个显微照片；以及

图5和图6示出使用抛物面镜和椭圆镜的结果。

这些附图是示意性的并不是按比例的。

具体实施方式

参照图1和图2，X射线源2用于产生通过源狭缝6的X射线束4。这产生了呈片形式的X射线束，其照射样品支架(sample holder)12上的样品10的上表面14。使用狭窄的源狭缝6来产生宽度为w的狭窄的照射带16，所述带在y方向上延伸，且宽度在x方向上。在该实施例中，宽度w在0.05mm至2mm范围内。

入射到所述照射带16上的X射线被所述样品10衍射并形成通过掩模20到达二维X射线检测器22的衍射束18。所述掩模20具有狭缝24，所述狭缝在垂直于照射带16延伸的方向(即，垂直于y方向)的方向上延伸。所述掩模20大约设置在样品10和X射线检测器22的中间，例如，所述掩模20可以设置在与所述照射带16相距所述照射带16和所述X射线检测器22之间的距离的20％和８０％之间的距离的位置处。

这种设置的结果是，所述X射线检测器22的不同区域接收来自沿着所述照射带16的长度的不同位置的X射线。

考虑所述X射线检测器上的线30。从图1可以看出，所有入射到这条线上的X射线都来自于朝向所述照射带的一端的点32。检测器像素尺寸和X射线束的轴向散度(y-方向)决定了点32的邻域对线34上检测到的信号(即有效分辨率)的贡献有多大。沿着线30的长度的不同位置对应于不同的衍射角2θ。类似地，考虑所述X射线检测器上的线34，它接收来自所述照射带16上的点36的衍射X射线。沿着线34的不同位置对应于不同的衍射角2θ。

因此，记录在所述二维X射线检测器22上的强度信息提供了这样的图，在该图中，沿着所述二维X射线检测器22上的y方向的变化对应于沿着所述照射带16上的y方向的不同位置。沿着二维X射线检测器22上的z’方向的变化对应于不同角度2θ的衍射强度图。

这样，可以同时从沿着所述照射带的样品上的多个点得到数据。这能导致快速微衍射分析，而不需要在y-方向移动所述样品。另外，可以通过简单地积分所述二维检测器(在y-方向)的相邻像素的强度来在有效点分辨率和从该样品区域收集的强度之间进行优化(不需要采用光学器件)。

此外，不需要在y-方向上精确地对准样品。精确对准可是一个困难且耗时的过程，避免这种需要可以大大地改善实验的设置时间。

掩模狭缝应该在衍射平面内(沿2θ方向)定向，优选地，尽可能精确地定向。在检测器移动时——会导致降低分辨率，这会将检测器上的测量结果的拖尾(smearing out)最少化。所述样品上照射带的定位并不关键-它可以稍微倾斜。如果几何结构是已知的，对应的2θ角可以得以校正。

掩模20上的狭缝24的尺寸可以随着源狭缝6的尺寸改变。这些可以被调整，特别是为了优化记录的强度和点分辨率。在y-方向上的分辨率由狭缝24控制，在x-方向的样品上的点分辨率由源狭缝6的宽度控制。另外，X射线束的轴向散度(y-方向上的散度)和检测器像素尺寸会影响样品上的可实现的点分辨率和记录数据的2θ分辨率。额外的Soller狭缝可以被设置在源2和样品10之间(所述狭缝6的前面或后面)，以限制X射线束4的轴向散度(y-方向上的散度)。较小的轴向散度也会改善点分辨率和记录数据的2θ分辨率。

掩模20和检测器22之间的距离可以被调整，以放大或减小检测器22上的图案。当所述掩模放置得更靠近所述检测器时，检测器会对较长的照射带16进行成像，当所述掩模远离所述检测器移动时，检测器会对较短的照射带16进行成像。

不需要专用的微型光学器件。

不需要在y-方向上的样品移动来对样品上的不同点进行成像。这会导致更便宜的样品台12。

此外，如果可以移动所述源狭缝6来在x-方向照射样品的不同区域，也不需要在x-方向上移动所述样品。因此，在这种情况下，可以在样品台不需要在x-方向或y方向上的控制移动来获得横跨样品表面的结果的装置上实现本发明。

衍射计可以在行聚焦模式下使用，而且并不需要将样品的照射降低到点聚焦。这样，X射线的通量可以比点聚焦设置大得多。

在可选实施例中，可以在源侧使用额外的射束光学器件(例如，准直仪等)来实现对样品上的照射带16的宽度的更大控制。这样，可以实现低到0.05mm的宽度w。

这种设置已经得到测试，现在将介绍测量结果。

对于该测量，该系统被配置有产生0.5mm宽的照射带的源狭缝6和0.04弧度的Soller狭缝。样品台被固定，样品夹在其中。PIXcel^3D(TM)检测器被用作检测器。作为掩模20，具有0.25mm，0.15mm和0.05mm的狭缝宽度的掩模被安装在近似在样品和检测器中间的固定支架上。

利用上述设置进行了扫描。图3中示出了通过积分10个相邻像素(每个像素的宽度55μm)产生的一维曲线图。根据使用的掩模尺寸，这对应于所述样品(x，y)上的0.5mm×0.65mm(0.05mm掩模)和0.5mm×1.05mm(0.25mm掩模)之间的点分辨率。图3中的曲线图示出相对于2θ的计数(强度值)。为了样品上的在y-方向上更高的空间分辨率，可以简单地积分更少的相邻像素。

图4是示出在横跨检测器边缘的不同位置处的作为2θ的函数的衍射图案的显微照片，即，每个曲线图是图1中沿z’方向上的线的强度(计数)的曲线图，不同的曲线图是图1中的不同的线30，34，即，沿y轴位移。沿着该线可以看出组成变化。

利用不同的入射射束Soller狭缝和在源侧的抛物面镜和椭圆镜进行了额外的测试。这些实验表明抛物面镜产生稍好的角分辨率，并能稍好地分辨双重峰。这些实验测量了LaB₆样品，通过使用在X射线反射镜前面的0.1mm源狭缝或0.050mm源狭缝可以分辨2θ＝21.4度时反射的1/2分裂，其中0.1mm源狭缝对应于使用抛物面镜时样品位置上大约0.17mm的束宽(0.17mm/sinθ照射带宽度)和在椭圆镜的情况下大约0.10mm的束宽(0.10mm/sinθ照射带宽度)，或0.05mm源狭缝对应于使用抛物面镜时0.09mm的束宽和在椭圆镜的情况下大约0.050mm的束宽。图5和图6示出在图5中利用抛物面镜而在图6中利用椭圆镜时使用0.10mm源狭缝测量到的峰。使用抛物面镜时的分辨率明显要好-图5中的双重峰更好地被分辨。

本发明适用于一系列的样品。然而，尤其有用的应用是表面上不均匀的样品。在点尺寸内，应该有充分不同的晶粒取向以得到反射，对于典型地在微衍射相分析实验中研究的样品也的确是如此。典型的样品可以是具有不均匀颗粒/微粒表面结构的固态物体，但仍具有相对平的表面-例如地质样品，典型的样品还可以是不均匀的药物样品、混凝土和其它样品。

与使用笔形束(狭窄点)而不是照射带的传统微衍射相比，在所述检测器的边缘检测到的X射线在2θ上稍微偏移，这是由于不同的几何结构而导致的。在上述的几何结构上，在所述检测器的边缘检测到的X射线的观察到的偏移取决于检测器区域到所述检测器的中心的距离(y方向上的距离)，还取决于狭缝位置(到检测器和样品的距离)。例如，如果所述狭缝位于样品和检测器的中间，观察到的2θ偏移对应于在标准(“传统”)微衍射实验中在距离检测器中间的两倍距离处观察到的偏移。

这些几何效应可以通过计算得以校正。

Claims (10)

1.一种用于测量具有样品表面的样品的X射线衍射方法，所述方法包括：

沿着照射带(16)照射X射线束(4)，所述照射带在y方向上沿着所述样品(10)的表面(14)延伸；

使被所述样品沿着所述照射带衍射的X射线通过所述样品(10)和二维X射线检测器(22)之间的掩模(20)，所述掩模(20)具有基本上垂直于所述y方向延伸的狭缝(24)，使得从沿着所述照射带(16)的不同位置衍射的X射线在二维X射线检测器(22)上沿着所述y方向的不同位置处被接收，其中所述掩模(20)被设置在与所述照射带(16)相距所述照射带(16)和所述二维X射线检测器(22)之间的距离的20％和80％之间的距离的位置处；

在所述二维X射线检测器上检测被所述样品(10)衍射的X射线，从而在所述二维X射线检测器上沿着所述y方向的不同位置对应于沿着所述照射带(16)的不同位置，在所述二维X射线检测器上垂直于线方向的方向z’上的不同位置对应于不同的衍射角2θ。

2.根据权利要求1所述的方法，其中照射X射线束的步骤包括利用X射线源产生X射线并使产生的X射线通过源狭缝(6)来照射所述样品(10)。

3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括移动所述源狭缝(6)从而移动所述样品的表面(14)上的所述照射带(16)的位置。

4.根据权利要求2或3所述的方法，进一步包括使X射线束(4)通过另外的调节的光学器件。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述样品是具有不均匀表面的样品。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括调节所述掩模(20)的位置来改变由所述二维X射线检测器成像的照射带(16)的长度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述照射带(16)的宽度是0.05mm至2mm。

8.一种用于测量具有样品表面的样品的X射线衍射装置，该装置包括：

用于产生X射线束(4)的X射线源(2)；

用于支撑所述样品(10)的样品台(12)；

在所述X射线源(2)和所述样品台(12)之间的X射线光学器件，被设置用来限制X射线束，从而照射在y方向上沿着所述样品(10)的表面(14)延伸的照射带(16)；

用于检测被所述样品衍射的X射线的二维X射线检测器(22)；和

在所述样品(10)和二维X射线检测器(22)之间的掩模(20)，所述掩模(20)具有基本上垂直于所述y方向延伸的狭缝(24)，使得从沿着所述照射带(16)的不同位置衍射的X射线在所述二维X射线检测器(22)上沿着所述y方向的不同位置处被接收；

其中所述掩模(20)被设置在与所述照射带(16)相距所述照射带(16)和所述二维X射线检测器(22)之间的距离的20％和80％之间的距离的位置处。

9.根据权利要求8所述的X射线衍射装置，其中所述X射线光学器件包括源狭缝(6)。

10.一种操作X射线衍射装置的方法：

沿着照射带从X射线源照射X射线束通过X射线光学器件，所述照射带在y方向上沿着样品的表面延伸；

使被所述样品沿着所述照射带衍射的X射线通过掩模中的狭缝，使得从沿着所述照射带的不同位置衍射的X射线在二维X射线检测器上沿着y方向的不同位置处被接收，其中所述掩模被设置在与所述照射带相距所述照射带和所述二维X射线检测器之间的距离的20％和80％之间的距离的位置处；

在所述二维X射线检测器上检测被所述样品衍射的X射线，从而在所述二维X射线检测器上沿着y方向的不同位置对应于沿着所述照射带的不同位置，并且在所述二维X射线检测器上垂直于线方向的方向z’上的不同位置对应于不同的衍射角2θ。