CN103854940A - 具有可偏转电子束的x射线设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种具有可偏转电子束的X射线设备。一种X射线设备(1)，包括：电子束源(2)，发射电子束(3)；靶(4)，电子束(3)被引导到其上，从而在靶(4)上形成焦斑(5；5a，5b)；X射线光学元件(6)，收集从焦斑(5；5a，5b)发射出的X射线，并形成X射线束(8)；以及样品位置(9)，X射线束(8)被引导到该样品位置(9)处，其特征在于，X射线设备(1)还包括适用于使焦斑(5；5a，5b)在靶(4)上移动的静电或电磁电子束偏转装置(10)，以及在任意方向(x，y，z)上，焦斑(5；5a，5b)的扩展范围比靶(4)的扩展范围小至少F倍，F＝1.5。本发明提供一种X射线设备，其中简化了相对于微焦距X射线源的X射线光学元件的对准。

Description

具有可偏转电子束的X射线设备
背景技术
本发明涉及一种X射线设备，包括
电子束源，发射电子束，
靶，电子束被引导到其上，从而在靶上形成焦斑(focal spot)，
X射线光学元件，收集从焦斑发射出的X射线并形成X射线束，以及
样品位置，X射线束被引导到该样品位置处。
这种X射线设备是已知的，参见US7,929,667B1。
利用X射线，可通过无损且有效的方式对样品进行检查。X射线通过多种方式与样品相互作用，以获得关于样品的分析信息，而X射线衍射(XRD)和X射线荧光(XRF)是两种重要的方法。通常，在X射线分析试验中，高X射线强度对于获得高信噪比是有用的。
通常，通过将电子束引导到靶上而产生X射线。束电子的减速(产生轫致辐射(Bremsstrahlung))以及靶材的耗尽的深电子壳层的再次充填(产生特性X射线)，致使在靶上的电子束焦斑之内的X射线发射。为了提供特定波长的X射线，可使用单色仪。另外，如果样品与焦斑明显间隔开，则通过适当的光学元件如
Figure BSA0000100439320000011
镜或Montel光学元件来聚焦X射线是有用的。
US6,249,566B1提出组合微焦距(microfocus)X射线源与Montel型光学元件以便将X射线聚焦到样品上。提出大约30μm或更小的表观(apparent)焦斑尺寸。
在US7,929,667B1中提出了一种极高亮度X射线源，其中电子束被聚焦在液态金属如镓的喷射物上。因电子束而将更高功率加载到靶上，因而由于靶已经是液态所以可以实现高亮度级，并且能够将从焦斑产生的热快速地散掉。可使用多层X射线聚焦元件对X射线束进行整形。提到了焦斑尺寸为大约10-15μm。
US6,711,233B2还提出一种X射线源，其中电子束被引导到液态金属喷射靶上。其提出使电子束的尺寸与喷射靶的尺寸相匹配，其中喷射物的直径为大约1-100μm。
当组合微焦距X射线源与X射线光学元件时，必须使这些部件彼此对准。对准意味着，在反射镜下游，光束性质的某个方面被最大化。取决于所预期的应用，此方面可以是例如通量密度或积分通量。在传统的X射线系统中，这通过改变X射线光学元件并机械地重新定位X射线光学元件来实现。不过，在实践中，很难在μm范围机械地移动X射线光学元件以使X射线源的焦斑与X射线光学元件的焦点相匹配，特别是由于对准机构的轮齿隙所致。
发明目的
本发明的目的之一在于提供一种X射线设备，其中，简化了X射线光学元件相对于微焦距X射线源的对准。
发明简述
根据本发明，通过说明书开始部分中提到的X射线设备来实现这一目的，其特征在于，该X射线设备进一步包括适用于使焦斑在靶上移动的静电或电磁电子束偏转装置，以及，在任意方向上，焦斑的扩展范围(extension)比靶的扩展范围小至少F倍，F＝1.5。
利用电子束偏转装置，可使焦斑在靶上移动。当在靶上的电子束的焦斑与X射线光学元件的焦点相重合时，该X射线设备被对准。取代机械地移动X射线光学元件，本发明的设备允许移动焦斑，特别是在不使用对准机构的情况下移动焦斑，通常这是通过电方式来完成的(诸如通过改变电极之间的电压或改变流过电磁线圈的电流)。电子对准是高度可再现的，允许更高的精度，特别是不会受到轮齿隙的影响。因而，本发明的设备能以快速简单的方式被对准。
根据本发明，焦斑具有尺寸(扩展范围)S，S＊F≤T，其中F＝1.5，T为靶的尺寸(扩展范围)；该公式在任意方向上都是有效的(即，S和T是在同一方向上测得的，不过该方向可以是任选的；另外，下面将更详细地讨论焦斑和靶在x，y，z方向上的尺寸SX，XY，SZ和TX，TY，TZ)。这意味着焦斑在不脱靶的情况下在任意方向上都具有最小可用对准范围。这一要求保证了在通过机械方式将靶与X射线光学元件粗略的预对准之后，可以容易地通过电子束偏转装置进行精细对准。
可将焦斑(和电子束)的扩展范围确定为电子强度分布的半峰全宽(FWHM)。可将X射线束的扩展范围确定为光子强度分布的半峰全宽。应当注意，电子束偏转装置可以被包括在电子束源中(从而电子束源需要控制用于调节束偏转的输入)，不过通常其与电子束源分离。电子束的(最大)直径足够小以适合用于微焦距X射线源，诸如100μm或者更小，优选30μm或更小。
X射线设备通常是X射线分析设备，将被分析的样品(通常为单晶样品，薄膜样品或粉末样品)位于样品位置处。利用本发明的X射线设备进行的典型的X射线测量是X射线衍射(XRD)，特别是单晶X射线衍射，高分辨率薄膜分析，切向入射衍射，微衍射以及(切线入射)小角度散射。
本发明的优选实施例
在本发明设备的优选实施例中，靶是液态金属喷射靶。这允许特别高的亮度。在焦斑处的靶材料被连续地替换，这避免靶的局部过热(例如蒸发)。另外，喷射是提供弯曲的、特别是具有圆形曲率的靶面(如下所述)的简单方式。
对本实施例的进一步开发是优选的，其中，在与液态金属喷射靶传播方向垂直并与电子束的传播方向垂直的方向上，焦斑的扩展范围比液态金属喷射靶的扩展范围小至少FT倍，FT＝2，优选FT＝5。这增大了靶上焦斑的可用对准范围。另外，靶的曲率对表观斑尺寸和靶的自吸收具有更强影响。
在一特别优选的实施例中，靶具有曲面，具体地具有曲率半径R，0＜R≤10mm，优选0＜R≤1mm。曲面允许通过在靶上移动焦斑来调节焦斑的表观斑尺寸。当电子束垂直或几乎垂直地撞击靶面时，相对于电子束以大约90°发射出的X射线束将表现为具有小焦斑(小的表观斑尺寸)。另一方面，当电子束平地或者甚至几乎以切向角撞击靶表面时，相对于电子束以90°发射出的X射线将表现为具有大焦斑(大的表观斑尺寸)；然而，对于后者，X射线束将经历更少的自吸收。注意，根据本实施例，靶也可具有有着非曲面的部分。靶的至少一部分曲面面对电子束源，从而焦斑可跨所述部分移动。注意，在所述部分中曲率半径可改变。
在本实施例的另一种变型中，电子束偏转装置适用于在靶面弯曲的平面内在靶上移动焦斑。于是，可通过电方式特别简单地经由靶调节焦斑尺寸。
在一个特别优选的实施例中，该X射线设备还包括适用于将焦斑的斑面积改变至少FS倍的静电或电磁电子束聚焦装置，FS＝2，优选FS＝5。电子束聚焦装置允许展宽和缩窄靶上的焦斑。通过这种方式，可以调节所产生的X射线束的其他特性，诸如尺寸、形状、发散或(积分)强度，而不改变电子束功率。应当注意，电子束聚焦装置可以包括在电子束源中(于是电子束源需要控制用于调节束聚焦的输入)，不过其通常与电子束源分离。电子束聚焦装置可以与电子束偏转装置集成。
在本实施例的另一种优选的变型中，电子束聚焦装置包括一个或更多个电磁线圈和/或一个或更多个充电电极。在实践中这些简单的元件展示出良好的结果。可以经由由线圈所产生的磁场或者电极处的电场来影响电子运动。
在另一个优选实施例中，电子束偏转装置适用于使焦斑在靶上移动至少距离D，D＝50μm，优选D＝200μm。这些范围通常良好适用于靶与电子束的简单相对对准以及调节弯曲靶面处的表观斑尺寸二者。
在一优选实施例中，电子束偏转装置适用于在与电子束的传播方向垂直的两个独立方向上偏转电子束，具体地其中，所述两个独立方向彼此垂直。两个直线独立运动方向使得能够访问靶上对准区域。独立方向的垂直取向简化了对靶上特定点的访问。
在另一优选实施例中，电子束偏转装置包括一个或更多个电磁线圈和/或一个或更多个充电电极。在实践中这些简单的元件展示出良好的结果。可以经由由线圈所产生的磁场或者电极处的电场来影响电子运动。
在一个特别优选的实施例中，X射线光学元件包括多层镜和/或毛细管X射线光学元件，多层镜具体是Montel镜或者
Figure BSA0000100439320000041
镜或者具有相对于入射X射线的径向(sagittal)和纵向(meridional)方向二者弯曲的单个反射面的镜子。在实践中证明，这些元件允许X射线的精确聚焦或准直。具体地，X射线光学元件可以包括如US7,248,670B2中所述的双曲镜。
在一优选实施例中，倍数F＝2，优选F＝5。这增大了焦斑在靶上的可用对准范围。另外，靶的曲率对表观斑尺寸和靶的自吸收具有更强影响。
在另一优选实施例中，将X射线光学元件定位成收集相对于撞击靶的电子束的传播方向以基本上90°从焦斑发射出的X射线。以这种取向，可获得高X射线强度级，并且经由弯曲的靶面的斑尺寸调节良好进行。X射线光学元件通常被布置在相对于电子束成85°到95°(含这些角度)的角度处，并使用10°或更小角度间隔的X射线，通常为5°或更小。
在本发明的范围内，提出一种用于对准X射线设备、具体地如上所述的本发明X射线设备的方法，其中该设备包括：
电子束源，发射电子束，
靶，电子束被引导到其上，从而在靶上形成焦斑，
X射线光学元件，收集来自X射线光学元件的焦点的X射线，
其特征在于，通过利用电场和/或磁场使电子束偏转而在靶上移动焦斑，直至焦斑与X射线光学元件的焦点重合为止。在进行粗略的机械预对准之后，可通过电方式简单地进行此精细对准，其高度可再现且精细，而且不会受到机械轮齿隙的影响。通常，精细对准包括迭代地或连续地改变焦斑位置，同时监测布置在X射线光学元件下游(之后)的检测器处的光子通量。
在本发明的范围内，还提出一种用于对准X射线设备、具体地如上所述的本发明X射线设备的方法，其中该设备包括：
电子束源，发射电子束，
靶，电子束被引导到其上，从而在靶上形成焦斑，
X射线光学元件，收集来自X射线光学元件的焦点的X射线，
其特征在于，通过利用电场和/或磁场使电子束偏转而在靶上移动焦斑，和/或通过利用电场和/或磁场改变电子束的聚焦而改变焦斑的斑面积，
直至使由X射线光学元件所形成的X射线束的光子通量或光子通量密度最大为止。再一次，这种对准可通过电方式简单地进行，并且是高度可再现的。通常，对准包括迭代地或连续地改变焦斑位置。可以例如在处于X射线光学元件下游的样品位置处或者检测器位置处测量光子通量密度。如果X射线光学元件是聚焦类型的，则光子通量密度是最优参数，并且通常在X射线光学元件的像焦点(第二焦点)处进行测量。如果X射线光学元件是准直类型，则每立体角的光子通量是最优参数，其中可以在X射线光学元件下游的任意位置处测量发散和通量。应当注意，在前面所述的本发明方法中，在任意方向上，焦斑的扩展范围通常总是比靶的扩展范围小至少F倍，F＝1.5，优选F＝2，最优选F＝5。
在本发明后一种方法的一优选变型中，该设备可以在两种工作模式之间切换，其中，在第一工作模式中使光子通量最大，而在第二工作模式中使光子通量密度最大。通过改变工作模式，可使该设备适用于分析测量而无需改变X射线光学元件。因而，本发明的方法非常节省时间且节约成本。通过使光子通量密度最大，可以很好地获得有限的局部面积的衍射数据。通过使光子通量最大，可以在短时间内以高信噪比获得衍射数据。尤其是，可通过使焦斑在弯曲靶面上移动到不同位置来改变工作模式。
在另一优选变型例中，选择具有曲率半径R的曲面的靶作为该设备的靶，其中0＜R≤1mm。这通过在靶上移动焦斑而简化工作模式的改变。
通过说明书和附图可以得出其他优点。根据本发明，前面和后面所述的特征可以单独使用或者以任意组合一起使用。不应将实施例理解为详尽无遗的阐述，相反，其是为了描述本发明的示例性实施例。
附图说明
在附图中示出本发明。
图1a示意地示出本发明的X射线设备的实施例，其具有用于在平坦的靶上移动电子束的焦斑的电子束偏转装置，其具有未被偏转的电子束；
图1b示出图1a的实施例，其具有被偏转的电子束；
图1c示意地示出本发明X射线设备的第二实施例，其具有用于调节焦斑的尺寸的附加的电子束聚焦装置；
图2a示出弯曲靶的示意性截面图，由比靶窄得多的电子束基本上垂直地撞击该弯曲靶；
图2b示出图2a的弯曲靶的示意性截面图，由电子束以平角撞击该弯曲靶；
图3a示出本发明X射线设备的部件的示意图，其具有液态金属喷射靶；
图3b示意地示出本发明X射线装置的另一实施例，其具有用于在弯曲靶上移动电子束的焦斑的电子束偏转装置；
图3c示意地示出根据本发明的具有用于调节在弯曲靶上焦斑的尺寸的电子束聚焦装置的X射线装置；
图4a示意地示出根据本发明的在液态金属喷射靶上圆形焦斑的正视图；
图4b示意地示出通过焦斑的图4a的靶的截面图；
图4c示意地示出根据本发明的在液态金属喷射靶上的椭圆形焦斑的正视图；
图5示意地示出本发明X射线设备的另一实施例，其具有毛细管光学元件；
图6示出针对不同的样品尺寸在本发明的X射线设备上测得的最大通量密度和最大通量情况下在对准位置处平均X射线强度的比率。
发明概述
本发明提出一种X射线设备，具有X射线源，特别是微焦距X射线源，其允许优选在两个方向上连续地改变电子束在靶(特别是液态金属喷射靶)上的位置。换言之，电子束的焦斑的位置是可变的。为了改变斑位置，可通过向电子束施加电场和/或磁场来使电子束偏转。
可变斑位置的优点在于，可以以快速且轻松的方式将X射线源与随后的X射线光学元件对准。在现有技术中，仅进行机械地对准。由于光学元件外壳中和/或外壳处机械结构的轮齿隙，(通过增大初始电子束的光子通量来完成的)使对准最优是困难的且耗时的。然而，通过改变靶上的斑位置，可以改变X射线光学元件与焦斑的相对位置，因而得到最优化，特别是使光子通量或光子通量密度最大化。由于不是以机械方式而是以经由电极或线圈(例如在源中的)的电磁方式改变斑位置，这种对准过程在μm范围内可以高度精确的再现。
优选靶具有曲面，例如靶是液态金属喷射类型，对于本发明而言这是优选的。通过垂直于喷射的流动方向移动电子束，可以连续地改变X射线发射区域的投影尺寸。所述微焦距X射线源与弯曲的(特别是椭圆形或抛物线形)多层镜的组合，允许定制样品位置处X射线束的尺寸、形状、发散度和强度。X射线束的这些性质可以被连续地改变，从而允许X射线束适应试验的需要而无需更换光学元件。X射线束性质的最优化还改善了数据质量并缩短了测量时间。
当将电子束靠近喷射物的中心位置定位时，X射线束的出射角较小，在靶中的X射线自吸收较高，导致表观源尺寸较小，积分通量减小，而通量密度增大(“通量密度最大化”)。这种X射线源的较小FWHM尺寸是用于分析小样品的最佳X射线束条件；使用聚焦光学元件，大部分光子处于撞击到小样品的X射线束的中心。由此，可使样品的衍射强度最大，并且减小背景噪音，这是因为没有撞击到样品而仅对背景噪音有贡献的光子的量较低。
当使电子束从液态金属喷射靶的中心朝向边缘移动时，出射角增大，增大了表观斑尺寸，并且减小了金属喷射靶中的自吸收。从而，使用聚焦光学元件，增大了X射线束的FWHM，并且减小了峰值强度(通量密度)(“通量最大化”)。与通量密度最大化相比，此时积分通量增大，因为通过使电子束更靠近喷射物的边缘，可减小所产生的X射线光子在喷射物中的自吸收。这是用于分析较大样品的最佳条件。应当注意，通过改变典型焦斑在典型喷射物上的位置，可以容易地将积分强度改变大约20％，将通量密度改变大约50％，对照图6。在该图中，在不同样品尺寸处，通量和通量密度各自被最大化，并且在这些对准位置处确定入射到各样品直径上的平均通量的比率(the ratio ofthe mean fluxes)。根据该结果，取决于各个试验中所使用的样品直径，优选通量密度或者通量最优化对准。
优选，本发明的X射线设备还能够通过改变电子束的聚焦来改变电子束在靶上的焦斑尺寸(“可变焦斑尺寸”)。换言之，通过电磁方式使电子束加宽或变窄。以这种方式，(微焦距)X射线源能改变金属喷射靶上的电子束焦斑尺寸。发现当电子束焦斑尺寸减小时，可以增大电子功率密度，而不会导致靶过热。这可以被用于以积分光子通量为代价，增大光子通量密度。小的电子束斑将导致表观X射线斑尺寸较小，这对于较小样品而言是有利的，而大电子束斑将允许更高X射线通量处的更大X射线斑尺寸，这对于较大样品而言是有利的。结合X射线光学元件，系统可以控制样品位置处的X射线焦斑尺寸的大小，X射线束的发散以及X射线光学元件下游的积分通量。
附图中所示本发明试验设置的描述
图1a示意地示出本发明X射线设备1的实施例。电子束源2发射电子束3。电子束3撞击靶4，此处靶4为固态且平坦类型。本发明中所用的典型固态靶材料为铜。电子束3撞击靶4的区域被称作焦斑5。在焦斑5处产生X射线。
处于光学元件外壳6a中的X射线光学元件6(此处为Montel类型，具有以肩并肩正交结构布置的两个分级多层镜)收集来自X射线光学元件6的焦点7(参照入射侧的焦距f1)及其非常近范围内的X射线，从而形成去向样品位置9的X射线束8，待查样品(未示出)位于样品位置9处。注意，以相对于电子束传播方向(此处为负z)大约90°的角δ收集X射线。X射线检测器(未示出)位于样品位置9以外。在所示示例中，X射线束8被聚焦在样品位置9处(参照出射侧的焦距f2)；不过，根据本发明，还可以利用X射线光学元件6使X射线束8平行(或者在其他情况下整形)。
在所示结构中，在电子束3未被偏转(即直线传播)的情况下，X射线光学元件6的焦点7从电子束3的焦斑5稍稍偏离。因而，仅有在靶4或者其焦斑5处分别产生的X射线中的较小百分比被X射线光学元件6收集。
为了增大被收集的X射线的百分比，可利用电子束偏转装置10将电子束3偏转，此处电子束偏转装置10包括一对充电电极(可替换的或者附加的，可以通过电磁线圈所产生的磁场使电子束偏转)。偏转装置10可通过调节电极处的控制电压(或者可替换的或者附加的，调节电磁线圈处的电流)，在垂直于电子束传播方向z的两个正交的方向x，y上连续地偏转(移动)电子束3。在所示实施例中，偏转装置10与电子束源2分离；不过，偏转装置10也可以被结合到电子束源2中。
在图1b中，启动电子束偏转装置10，以在靶4上移动焦斑5。在适当调节偏转装置10，即分别基本上沿负y方向将焦斑5稍微移动距离D，或者向右偏转电子束3一个小的角α之后，焦斑5与X射线光学元件6的焦点7重合。因而，在焦斑5处所产生的X射线的很大百分比可以被X射线光学元件6收集并且被导向样品位置9。注意，通常通过使X射线光学元件6下游(如样品位置处)的光子通量或光子通量密度最大化来找出焦斑5的最佳位置。
应当注意，为了增进理解，在附图中放大了电子束的宽度和X射线束的宽度。能够在靶4上移动焦斑5的典型距离D为大约200μm。
图1c示出图1a的X射线设备1的变型例，除了偏转装置10以外此X射线设备1还包括电子束聚焦装置11(此处包括电磁线圈组件)。注意，如果需要，可以将聚焦装置11结合到偏转装置10和/或电子束源2中。电子束聚焦装置11通过改变流过线圈组件的线圈的电流，而允许改变电子束3的聚焦，即电子束3在靶4上的宽度。通过这种方式，可以直接调节焦斑的面积。
在附图中，大大变窄的电子束3的实线属于具有小的斑面积Aa的焦斑5a，而仅仅稍微变窄的电子束3的虚线属于具有相对大的斑面积Ab的焦斑5b；注意，面积Aa，Ab分别用投影表示。通常，聚焦装置11允许高达5倍的面积改变。通过改变电子束3的聚焦，可以改变样品位置9处X射线束8的某些性质，诸如束发散或积分光子通量，而不会改变电子束功率。
图2a和2b示出电子束3在弯曲靶4上的焦斑5a，5b，在靶上4上焦斑5a，5b处于不同的位置。附图示出靶4的截面图，此处靶4为在平面(yz平面)内、曲率半径为R的沿x方向传播的圆形液态金属喷射靶，该平面(yz平面)包括电子束传播方向(负z)并垂直于喷射物传播方向x。在此平面内，靶面12是弯曲的。电子束3至少可以在该平面内移动，即此处基本上沿y方向移动。
如果电子束3基本上垂直于弯曲靶面12地撞击靶4(参照大约80°的β角)，则如图2a中所示，在z方向上表观焦斑尺寸SZ较小，特别是小于在y方向上的焦斑尺寸SY。由于X射线源自较小的面积，可以实现高光子通量密度。另一方面，如果电子束3以相对较平的角(参照大约35°的γ角)撞击弯曲的靶面12，则如图2b中所示，在z方向上的表观焦斑尺寸SZ较大，特别是大于在y方向上的焦斑尺寸SY。
在图2a的结构中，在z方向上焦斑尺寸SZ较小，当X射线束在y方向(即垂直于电子束传播方向)上的左侧被取得时，X射线的自吸收相当大：在焦斑5a的右手侧产生的X射线在离开靶4之前必须穿过较多的靶材料。相反，在图2b的结构中，在z方向上焦斑尺寸SZ较大，自吸收相对较弱：即使是在焦斑5b的右手侧所产生的X射线，在离开靶4之前，也仅通过少量靶材料。因而，后一种结构产生较高积分光子通量。
为了在不同测量之间快速地改变X射线束的性质，本发明的X射线设备优选可在图2a和图2b的两种结构之间切换。
在所示示例中，对于所示出的两种结构，靶4的直径2＊R(代表其在y和z方向上的扩展范围)比SY和SZ都大不止F倍，F＝5。
图3a示意地示出本发明X射线设备1的实施例的部件，其中，电子束源2所发射出的电子束3通过适用于在x和y方向上偏转电子束3的电子束偏转装置10(或者组合的电子束偏转和聚焦装置)，并且在焦斑5处撞击液态金属喷射靶4，X射线在焦斑5处产生。
利用泵14通过回路13泵送液态金属(例如由镓组成)的连续流，并通过喷嘴15导入到漏斗型回收单元16中；在喷嘴15与回收单元16之间，自由金属流构成喷射型靶4。如果需要的话，回路13可以在回路13内部包括用于加热和/或冷却金属的回火段(tempering stage)(未示出)。注意，喷射物通常直径为大约50-250μm，而电子束直径通常为大约100μm或更小。用虚线框标记的是X射线设备1的应当位于真空腔室17中的部件；特别是电子束3应当仅在真空腔室17的内部传播。
图3b示出与图1a中所示类似的本发明X射线设备1的实施例，不过其具有弯曲的靶4，即液态金属喷射靶4(例如，如图3a中所示)。喷射物在x方向上传播，即垂直于电子束3和X射线束8的方向。利用电子束偏转装置10(或者组合的电子束偏转和聚焦装置)，电子束3可以在x和y方向上被偏转。
图3c示出也与图1a中所示的类似的X射线设备1，其也具有液态金属喷射靶4。此处，可利用电子束聚焦装置11来改变焦斑5的尺寸。通过改变焦斑尺寸(在x和/或y方向上)，X射线光学元件6下游的X射线束8的性质可以被改变，特别是被改变以在样品位置9处获得所期望的性质。特别是，根据本发明，可以改变X射线束8的性质，从而可有选择地获得X射线束8的最大光子通量或最大光子通量密度。
图4a和4b更详细地示出根据本发明的、靶4上电子束的焦斑5以及其扩展范围比例，此处靶4为液态金属喷射靶。图4a示出垂直于电子束传播方向z的正视图；图4b示出在垂直于喷射物传播方向x的平面内的横截面。
此处，在x方向上焦斑5的尺寸(或扩展范围)SX比靶4在x方向的尺寸(或扩展范围)TX小超过5倍(注意，通常喷射物在x方向为数十mm，x方向是喷射物传播方向)。在所示示例中，在y方向上，焦斑5的尺寸(或扩展)SY比靶4的尺寸(或扩展范围)TY小大约3倍。此处，在z方向上，焦斑的尺寸(或扩展范围)SZ(得自于电子在靶材料中的传播深度)比靶4在z方向的尺寸(或扩展范围)TZ小大约5倍。从而总的来说，对于所有方向(x，y，z)，焦斑5的尺寸比靶4的尺寸小至少大约系数F倍，F＝3。注意，根据本发明，系数F＝1.5就足够了，不过优选F＝2，更优选系数F＝5。
图4c示出椭圆形的焦斑5。此处，尺寸SX，SY(和SZ，未示出)也比靶4的相应尺寸TX，TY(和TZ，未示出)小至少大约系数F倍，F＝3。此处，靶4也是液态金属喷射类型。椭圆形电子束可以是优选的选择，因为当沿y方向(以相对于电子束传播方向和金属喷射物传播方向的90°角)观察时可以产生圆形“X射线斑”(表观焦斑)；然后朝向该方向放置X射线光学元件，以接收具有圆形截面的X射线束。
图5示出与图1a中所示的类似的本发明X射线设备1的另一实施例，不过使用毛细管光学元件作为用于将X射线束8导向样品位置9的X射线光学元件6。毛细管光学元件包括一个或更多个中空的弯管(“毛细管”)，在其内表面处X射线发生全反射，从而可利用毛细管引导X射线(未详细示出)。靶4是液态金属喷射类型。
概括来说，本发明提出：通过使电子束偏转来对准电子束的焦斑与X射线光学元件的焦点，从而允许在X射线设备中在不需要对X射线光学元件进行机械精细对准的情况下这样做。此外，本发明通过控制靶(特别是具有曲面的靶)上焦斑的形状和位置，允许改变X射线光学元件下游的最大化的X射线束性质。

Claims (17)

1.一种X射线设备(1)，包括：
电子束源(2)，发射电子束(3)，
靶(4)，电子束(3)被引导到其上，从而在靶(4)上形成焦斑(5；5a，5b)，
X射线光学元件(6)，收集从焦斑(5；5a，5b)发射出的X射线，并形成X射线束(8)，以及
样品位置(9)，X射线束(8)被引导到该样品位置(9)处，
其特征在于，
X射线设备(1)还包括适用于使焦斑(5；5a，5b)在靶(4)上移动的静电或电磁电子束偏转装置(10)，以及
在任意方向(x，y，z)上，焦斑(5；5a，5b)的扩展范围比靶(4)的扩展范围小至少F倍，F＝1.5。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，该靶(4)为液态金属喷射靶(4)。
3.根据权利要求2所述的设备(1)，其特征在于，在与液态金属喷射靶传播方向(x)垂直并与电子束(3)的传播方向(z)垂直的方向(y)上，焦斑(5；5a，5b)的扩展范围比液态金属喷射靶(4)的扩展范围小至少FT倍，FT＝2，优选FT＝5。
4.根据前面权利要求之一所述的设备(1)，其特征在于，靶(4)具有曲面(12)，具体地，具有曲率半径R，0＜R≤10mm，优选0＜R≤1mm。
5.根据权利要求4所述的设备(1)，其特征在于，电子束偏转装置(10)适用于在靶面(12)弯曲的平面(yz)内使焦斑(5；5a，5b)在靶(4)上移动。
6.根据前面权利要求之一所述的设备(1)，其特征在于，该X射线设备(1)还包括适用于将焦斑(5；5a，5b)的斑面积(Aa，Ab)改变至少FS倍的静电或电磁电子束聚焦装置(11)，FS＝2，优选FS＝5。
7.根据权利要求6所述的设备(1)，其特征在于，该电子束聚焦装置(11)包括一个或更多个电磁线圈和/或一个或更多个充电电极。
8.根据前面权利要求之一所述的设备(1)，其特征在于，该电子束偏转装置(10)适用于使焦斑(5；5a，5b)在靶上移动至少距离D，D＝50μm，优选D＝200μm。
9.根据前面权利要求之一所述的设备(1)，其特征在于，该电子束偏转装置(10)适用于在与电子束(3)的传播方向(z)垂直的两个独立的方向(x，y)上使电子束(3)偏转，具体地，其中，所述两个独立的方向(x，y)彼此垂直。
10.根据前面权利要求之一所述的设备(1)，其特征在于，该电子束偏转装置(10)包括一个或更多个电磁线圈和/或一个或更多个充电电极。
11.根据前面权利要求之一所述的设备(1)，其特征在于，该X射线光学元件(6)包括多层镜和/或毛细管X射线光学元件，该多层镜具体是Montel镜或者
Figure FSA0000100439310000021
镜或者具有相对于入射X射线的径向和纵向方向二者弯曲的单个反射面的镜子。
12.根据前面权利要求之一所述的设备(1)，其特征在于，倍数F＝2，优选F＝5。
13.根据前面权利要求之一所述的设备(1)，其特征在于，该X射线光学元件(6)被定位成收集相对于撞击靶(4)的电子束(3)的传播方向(z)以基本上90°从焦斑(5；5a，5b)发射出的X射线。
14.一种用于对准X射线设备(1)、具体地根据权利要求1-13之一所述的X射线设备(1)的方法，其中该设备(1)包括：
电子束源(2)，发射电子束(3)，
靶(4)，电子束(3)被引导到其上，从而在靶(4)上形成焦斑(5；5a，5b)，
X射线光学元件(6)，收集来自X射线光学元件(6)的焦点(7)的X射线，
其特征在于，
通过利用电场和/或磁场使电子束(3)偏转而在靶(4)上移动焦斑(5；5a，5b)，直至焦斑(5；5a，5b)与X射线光学元件(6)的焦点(7)重合为止。
15.一种用于对准X射线设备(1)、具体地根据权利要求1-13之一所述的X射线设备(1)的方法，其中该设备(1)包括：
电子束源(2)，发射电子束(3)，
靶(4)，电子束(3)被引导到其上，从而在靶(4)上形成焦斑(5；5a，5b)，
X射线光学元件(6)，收集来自X射线光学元件(6)的焦点(7)的X射线，
其特征在于，
通过利用电场和/或磁场使电子束(3)偏转而在靶(4)上移动焦斑(5；5a，5b)，和/或通过利用电场和/或磁场改变电子束(3)的聚焦而改变焦斑(5；5a，5b)的斑面积(Aa，Ab)，
直至使由X射线光学元件(6)所形成的X射线束(8)的光子通量或光子通量密度最大为止。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，该设备(1)在两种工作模式之间切换，其中，在第一种工作模式中使光子通量最大，在第二种工作模式中使光子通量密度最大。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，将设备(1)的靶(4)选择为具有曲面(12)的靶(4)，该曲面(12)具有曲率半径R，0＜R≤1mm。
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