CN106605140A - X射线吸收测量系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种用于x射线吸收精细结构(XAFS)测量的系统，其具有大于现有紧凑系统若干数量级的x射线通量和通量密度。其适用于x射线吸收近边光谱(XANES)或者延伸式x射线精细吸收结构(EXFAS)光谱的实验室或现场应用。通过使用x射线靶的设计实现了更高的亮度，x射线靶包括多个对准的x射线产生材料的微结构，这些微结构被制成与具有高热导率的基板成密切热接触。这允许利用更高电子密度和/或更高能量的电子进行轰击，导致更大的x射线亮度和高通量。高亮度x射线源耦合到用于使x射线准直的x射线反射光学系统和单色器，单色器选择适当暴露能量。使用高通量单色x射线的样品的吸收光谱可以使用标准检测技术而得到。

Description

X射线吸收测量系统
相关申请的交叉参考
本专利申请要求在2014年6月6日提交的美国临时专利申请No.62/008,856和在2014年12月1日提交的美国临时专利申请No.62/086,132以及2015年2月17日提交的美国临时专利申请No.62/117,062的优先权和益处，所有这些专利申请以全文引用的方式并入到本文中。本申请还要求在2015年3月3日提交的美国申请序列号14/636,994的优先权和益处，该专利申请以全文引用的方式并入到本文中。
技术领域
本发明涉及一种使用x射线吸收近边光谱(XANES)技术来分析材料中(多种)元素的化学/电子态和使用延伸式x射线精细吸收结构(EXFAS)技术来确定材料中(多种)元素的原子配位数和距离的高亮度x射线吸收光谱设备。
背景技术
x射线吸收光谱(X-ray absorption spectroscopy)是一种广泛使用的技术，其用来确定物质的局部原子结构和/或电子结构。通过测量材料中一个元素的透射率和/或特征性荧光x射线(其随具有充分窄能带的能量范围上的入射x射线能量变化)，获得x射线吸收光谱数据，其中充分窄的能带对应于所关注元素的吸收边缘，在所关注元素的吸收边缘，入射x射线光子具有充分的能量来激发(多个)核心电子。材料的局部原子结构和电子结构展示出共振并且表现出干扰效果，干扰效果影响x射线透射率(随入射x射线能量而变化)，因此，通过测量x射线透射率(随x射线能量而变化)，能确定关于材料的局部原子结构和/或电子结构的信息。
接近x射线吸收边缘的吸收光谱通常被分成“近边缘”区域和“延伸”区域，“近边缘”区域包括靠近吸收边缘的前100eV，“延伸”区域直到1000eV更高。近边缘光谱，通常被称作近边缘x射线吸收精细结构(NEXAFS)光谱或者x射线吸收近边缘光谱(XANES)是核心电子跃迁到低的未占用能级的结果，并且常常具有尖锐的共振峰。其用来理解所涉及元素的化学环境和特别地氧化态。更多延伸能量区域的光谱，通常被称作延伸式x射线吸收精细结构(EXAFS)，表现出吸收率随着能量的平缓振荡。这是由于从该结构内的周围原子发射的光电子的相互作用造成。通过分析EXAFS光谱，能以高精度来确定原子之间的距离。集中在两个光谱区域的实验分析被称作x射线吸收精细结构(XAFS)。
图1示出了常规同步XAFS测量设备，其中，同步x射线源P80产生准直x射线束P889(通常使用孔口或针孔而准直)。与源P80相关联的x射线光学系统也可以包括束止挡件、孔口或其它光学元件来使x射线束P889成形为具有特定性质。x射线束P889然后从两个晶体P330A和P330B反射，晶体P330A和P330B被构造成形成单色器P330，单色器P330产生单色x射线束P889-2，单色x射线束P889-2然后入射于待测量的样品240上。通过样品240透射的x射线P889-X然后由检测器P290检测，检测器P290将通常将其信号传输到信号处理电子器件P292，信号然后进一步由分析系统P295处理，分析系统P295常常具有显示器P298以向使用者示出数据和结果。通常提供双晶单色器P330(未图示)的运动控件使得相对于x射线束的角度调整将选择特定窄范围的x射线能量通过单色器P330透射。
图2示出了XAFS结果的说明，在此情况下是对于模型氧化铁(Fe2O3)粉末而言。在接近7.112keV的铁(Fe)K边缘吸收的能量下，收集x射线的数据。近边缘结构(XANES)是清晰可见的，与标准吸收(由(E)表示)相比，更高能量的EXAFS变化也清晰可见的。从这些变化，能得到材料的化学状态和原子间结构的细节。[图2的数据改编自Mauro Rovezzi的博士论文，“Study of the local order around magnetic impurities in semiconductors forspintronics.”Condensed Matter，Université Joseph-Fourier-Grenoble I，2009.English.<tel-00442852>.]
通常，对于XANES测量而言，需要能量带宽小于1eV的x射线束，并且对于EXAFS测量而言，需要能量带宽小于10eV的x射线束。在电子轰击x射线源中，x射线光谱通常包括由入射电子束照射的阳极中的(多种)元素的连续谱(被称作韧致辐射)以及尖锐特征性x射线荧光线。对于XFAS测量而言，通常使用韧致辐射。因为在EXAFS光谱中的强度振荡常常小于总吸收度的10％，并且仅在数据进行傅里叶变换分析之后获得结构参数，常常需要更准确(0.1％或更好)的吸收测量值。因此，在每个能量数据点通常需要至少一百万光子数。
为了满足所需要的窄能量带宽，可以使用晶体单色器。可以使用多种方法来获得所需能量带宽。一种方法是使用一对具有适当反射密勒指数(Miller index)的平面晶体，诸如硅(111)，其被布置成使入射x射线束在色散平面(包含入射和衍射束)中以小会聚角衍射。可以例如使用由预定距离分开的一对窄狭缝来获得所需小角度会聚。有时，如果在色散平面中的源大小较小，仅需要一个狭缝。这种方法提供某些优点：简单的能量扫描，通过旋转单色器来扫描x射线束入射角；以及，使用单晶体的相当宽的能量扫描范围，常常不需要移动源和样品的位置和角度，这对于许多实验可能较为重要，并且导致显著更简单的系统和更低成本。
小会聚角意味着这种技术广泛地用于使用同步辐射源的实验，同步辐射源具有高强度和高方向性。然而，在实验室环境中，其中在电子轰击源中产生x射线，将仅收集和使用小部分的x射线源。因此，使用这种方法从常规电子轰击x射线源获得的单色x射线束的x射线通量就是太低而致使不能进行实验室XAFS测量。
为了规避低x射线通量和因此低处理量问题，大部分基于实验室源的XAFS系统采用呈罗兰圆几何形状的单个弯曲晶体单色器。在这种系统中，x射线源、弯曲晶体和在样品前面的狭缝全都以适当取向位于罗兰圆上。尽管使用弯曲晶体能增加由源所产生的x射线的角谱宽度，基于罗兰圆的x射线光谱仪具有以下缺陷：由于弯曲所引起的晶体应变导致难以获得高x能量分辨率，需要移动三个主要部件(源、晶体和狭缝/样品)中的至少两个来进行能量扫描。此外，单个弯曲晶体仅覆盖相对较小的能量范围，因此实际上常常需要一组弯曲晶体。可能部分地由于缺少具有充分亮度的小尺寸x射线源和缺少用于以较大立体角收集在源中产生的x射线以能提供具有充分角度准直的x射线束的x射线光学器件，所以才使用基于罗兰圆的光谱仪。
基于罗兰圆的单色器的另一性能限制因素是单色x射线束的高阶谐波污染，因为弯曲晶体常常反射等于所希望的x射线能量整数倍的x射线能量。为了规避这种更高阶谐波污染问题，常常使用低能电子束激发。使用低能电子直接导致x射线通量减少，因为在电子轰击x射线源中的韧致辐射的x射线产生效率近似与入射电子能量成比例。
常规基于实验室的x射线吸收光谱系统的低性能严重限制了其应用。x射线吸收光谱测量目前大部分在同步辐射设施中执行，同步辐射设施提供高处理量，这归因于其较大源亮度和能使用在较宽能量范围的x射线通量。然而，同步辐射源较大并且昂贵，常常占据数英亩土地，并且仅能在数量有限的地点提供。因此，每个用户组的使用通常是有限的并且是偶尔的，特别是对于这样的工业用户而言：关心保护知识产权和/或与学术研究提案竞争时由于缺乏纯科学价值而难以证明重要但又是例行测量。其它限制包括难以将易损的样品(例如，易碎或易于氧化)运输到同步辐射设施、重要的生物和放射安全考虑或需要难以获得的特殊仪器的现场实验。
XAFS技术具有许多应用。特别地，EXAFS能测量结晶和非结晶材料中的局部原子间距离。这是非结晶材料诸如非晶形固体、固体溶液、半导体装置中的掺杂剂和植入材料、催化剂、液体和有机金属化合物的独特能力。XANES特别适用于确定其化学环境中元素的氧化态。然而，这种技术缺乏可以在实验室或现场使用的高亮度紧凑x射线源。因此，需要这种高亮度、紧凑x射线系统用于XAFS测量。
发明内容
本发明公开了一种x射线吸收光谱系统，其包括紧凑型x射线源，紧凑型x射线源提供在有限角度范围内的高亮度x射线束。这通过使用允许x射线线性累积的源构造来实现。该系统还包括：x射线光具组(optical train)，x射线光具组收集来自高亮度源的x射线束并且使x射线束准直；单色器，其包括两个平面晶体(在下文中被称作双晶单色器)，两个平面晶体使准直的x射线束单色化并且允许扫描x射线能量；以及，x射线检测器，其收集由于单色x射线与样品中的物质相互作用造成的x射线以进行分析。可选地，其还可以包括：检测器，在单色x射线束入射到样品上之前，检测器(通常部分透射性的并且放置于样品之前)监视单色x射线束的强度；和/或，第二光具组，其将单色x射线聚焦到样品上。
线性累积x射线源包括两个或更多个x射线子源，其中每个子源具有预定的x射线光谱特征，并且子源由预定空间间隔而彼此物理地分开并且沿着预定轴线彼此对准以允许x射线累积从而在有限角范围内增加沿着该轴线的亮度。x射线子源通过电子轰击一个或多个包括x射线产生材料的靶而产生。靶中至少一个包括高热导率的低z材料(第一材料)基板，并且产生x射线的高Z材料(第二材料)根据其x射线产生性质诸如光谱特征和x射线产生效率来选择，具有小于10微米的至少一个尺寸。在某些实施例中，线性累积x射线源是线源以增加处理量。在某些优选实施例中，扫描x射线源位置以增加数据收集处理量。
作为该系统的部分，x射线光具组被构造成收集来自高亮度源的x射线或者使x射线聚焦以产生在所关注能量范围的高通量准直x射线束。x射线光具组将通常包括至少一个轴向对称的x射线反射镜光学器件，具有选自抛物面和/或I型Wolter光学器件的反射表面轮廓，I型Wolter光学器件包括椭圆体和双曲面。反射表面通常是玻璃，未涂布或者涂布了高质量密度材料或多层涂层。反射表面材料不应包含吸收边缘在所关注x射线能量范围中的元素。对于某些实施例，光具组可以额外地包括至少一对狭缝或针孔/孔口以使x射线束在一个方向上有角度地会聚。
双晶单色器使用非色散构造(即两个平行布置的相同晶体)使准直高通量X射线束单色化，而不改变x射线束传播方向。选择晶体衍射密勒指数以获得所需的能量分辨率。对于XANES测量，就能量带宽小于1eV的x射线而言，待扫描的能量范围通常在所关注元素的吸收边缘的50-100eV内。对于EXAFS，就能量带宽小于10eV的x射线而言，500-1000eV的能量扫描是典型的。双晶单色器将通常包括旋转台，旋转台具有平行于晶体衍射平面并且垂直于x射线束传播方向的旋转轴线。
至少一个检测器响应于入射x射线束与样品的相互作用从样品接收x射线，并且产生表示样品性质的信号。来自样品的x射线信号可以包括随入射x射线束的x射线能量而变化的x射线穿过样品的透射率和/或所关注元素的x射线荧光。在某些实施例中，额外光具组和/或单色器可以放置于检测器之前以移除背景x射线并且改进信噪比。
通常也存在机电系统来控制源、光具组的部件、单色器、样品相对于入射x射线束的定位和检测器。用于机电控制的这种系统可以联结到数据分析系统，数据分析系统获取对应于x射线信号的数据并且执行计算，确定样品所需要的性质。
附图说明
图1展示了现有技术x射线吸收精细结构(XAFS)测量系统的示意图。
图2示出了对于氧化铁粉末而言代表性x射线吸收精细结构(XAFS)谱的曲线图。
图3示意性地示出了根据本发明的XFAS系统。
图4示意性地示出了如在本发明的某些实施例中所用的包括子源的线性累积x射线靶。
图5示意性地示出了如在本发明的某些实施例中所用的包括整体x射线产生区域的线性累积x射线靶。
图6示意性地示出了如在本发明的某些实施例中使用的线性累积x射线靶，其中，多个子源嵌入于基板中，基板具有凹陷的搁架。
图7示意性地示出了如本发明的某些实施例中所用的两侧线性累积x射线源的截面图。
图8示意性地示出了如本发明的某些实施例中所用的两侧线性累积x射线源的截面图。
图9示意性地示出了如在本发明的某些实施例中所用的包括在子源之间的光学器件的线性累积x射线源。
图10示出了抛物面光学元件的截面图。
图11示出了I型Wolter光学元件的截面图。
图12示意性地示出了如在本发明的某些实施例中使用的x射线源和I型Wolter成像光学器件的截面图。
图13示意性地示出了具有双晶单色器的本发明的实施例的一部分的截面图。
图14示意性地示出了具有用来将x射线聚焦到样品上的额外光学元件的本发明的实施例的一部分的截面图。
附图并入于本说明书中并构成说明书的部分，附图示出本发明的示例性实施例、特点和方面且与描述一起用于解释本发明的原理。附图未必按照比例绘制；而是重点放在说明本发明的原理。
具体实施方式
X射线吸收光谱系统
图3示意性地示出了用于x射线吸收光谱系统的本发明的实施例。
x射线产生器08包括真空环境(通常为10-6托或更佳)，该真空环境通常由密封真空腔室20或者使用主动抽吸来维持，并且被制成具有密封电引线21和22，电引线21和22从真空腔室20外侧的高电压源10的负端子和正端子传递到真空腔室20内侧的各个元件。x射线源80通常包括支架30，支架30将x射线产生器08的元件诸如真空腔室20固定到外壳50上，并且外壳50可以额外地包括屏蔽材料，诸如铅，以防止x射线由源设备80-A在不希望的方向上辐射。在真空腔室20内，通过引线21连接到高电压源10的负端子的发射器11用作阴极并且通常通过使电流通过细丝而生成电子束111。用于产生电子束的许多现有技术可以用于本文所公开的本发明的实施例。
包括靶基板1000和x射线产生材料区域(在图3中示出为一组嵌入式微结构700)的靶1100电连接到相对高电压引线22和靶支承件32以接地或者相对于电子发射器11为正电压，因而用作阳极。电子111朝向靶1100加速并且以高能量碰撞靶1100，其中电子能量由加速电压的量值来确定。电子111碰撞到靶1100内引起多种效果，包括产生x射线888，这些x射线888中的某些离开真空腔室20并且通过对x射线透明的窗口40透射。
如将在下文中进一步描述的靶1100被构造成具有多个x射线子源，x射线从大体上彼此对准的点产生使得它们产生可以具有线性累积的x射线，得到更高亮度。微结构化靶诸如可以在本文所公开的本发明的实施例中使用的那些微结构化的靶在名称为“STRUCTUREDTARGETS FOR X-RAY GENERATION”共同待决的美国专利申请(在2014年8月21日提交的美国专利申请14/465，816)中详细地描述，该美国专利申请与在其中并入并且其主张权益的临时申请一起，以其全文引用的方式并入到本文中。而且，使用具有x射线源线性累积的这些靶的源在名称为“X-RAY SOURCES USING LINEAR ACCUMULATION”本发明的发明者的共同待决的美国专利申请(在2014年9月19日提交的美国专利申请14/490,672)中更全面描述，该专利申请与其中所并入并且其主张权益的临时申请一起也以其全文引用的方式并入到本文中。在上文引用的共同待决的申请中所公开的靶和源设计和构造中的任一个可以认为是在根据本文所公开的本发明的x射线吸收光谱系统的任何或全部实施例中的替代部件和设计。
在本发明的某些实施例中，也可以设有电子控制机构70诸如静电透镜系统或其它电子光学系统，其通过控制器10-1经引线27控制并且与发射器11所提供的电子剂量和电压相协调。因此，可以扫描、聚焦、散焦或以其它方式导向电子束111到靶1100，靶1100包括一个或多个微结构700，微结构700被制成与基板1000成密切热接触。除了向一个或多个电子束提供预定性质(例如，电子能量、电流和焦斑大小)之外，这种控制机构70也可以将相应电子束导向至一个或多个x射线靶上其所希望的位置以在沿着预定方向的子源的位置处产生x射线。
该系统将通常包括光具组840以从源收集x射线并且形成具有预定角性质的x射线束889。该系统将通常也包括单色器330以取得x射线束889并且选择特定波长来形成单色束889-2并且将其导向至待研究的样品240。组合的x射线源设备80、光具组840和单色器330可以一起认为是x射线照射器800。在某些实施例中，单色器330可选地后面设有额外光具组，额外光具组将x射线束聚焦到样品上。
样品240通常保持在支架244中，支架244可以具有用于x，y和z平移以及绕这些轴线旋转的运动控件。这些运动控件可以由控制器246来管理，控制器246也可以具有到光具组840和/或单色器330的x-y-z和旋转控件内的输入。数据收集系统可以包括x射线检测器或光谱仪2900来收集透射的x射线2889。该系统还可以包括具有预定光谱性质的额外x射线过滤器277或其它部件，其使透射的x射线2889通过但是阻挡可能在样品240中产生的任何x射线荧光2888。该系统还可以包括额外x射线检测器或光谱仪2900-F以收集荧光x射线2888。
荧光检测器可以是任何类型的能量分辨检测器，包括波长色散型光谱仪型、能量色散型检测器型或微热量计型。在附图中示出了具有针孔的能量色散型检测器，诸如具有用于入射束的通孔的硅漂移检测器。这种构造允许较大立体收集角。然而，可以设想到其它实施例，其中，无通孔的荧光型检测器相对于样品在样品之前或之后以一定角度偏移。取决于所采用的测量技术，检测器2900和/或光谱仪2900-F可以包括被设计成区分x射线能量的x射线光学元件和传感器。
对于XAFS测量，通过扫描在预定能量范围的x射线能量来获得随x射线能量而变化的x射线吸收度。通过将穿过样品240的x射线束的强度归一化到入射x射线束888强度来获得x射线吸收度。在某些实施例中，可以使用额外检测器来直接测量入射x射线束888的强度。这种入射强度检测器可以是放置于单色器330之后或者样品240之前的独立部分透射型检测器，或者也可以合并为单色器330的部分。替代地，随x射线能量变化的入射x射线束888强度也可以通过从x射线束路径移除样品使用检测器2900来确定。在某些实施例中，x射线光谱仪2900-F可以记录x射线荧光信号，并且与x射线检测器2900一起使用或者代替x射线检测器2900使用。X射线吸收光谱设备可以额外地包括(多个)狭缝以排除或减少不希望的x射线(诸如在准直x射线束外侧散射的x射线)到达样品。
对于XAFS测量，使用在图3中示出的本发明的实施例，入射于样品上的单色x射线束的x射线通量F由下式给出：
F＝ηBs S1S2Δθ1Δθ2ΔE/E [方程式1]
其中Bs是在样品处的x射线束亮度(定义为每单位面积和每单位照射样品的立体角和每0.1％相对光谱带宽的x射线数量)，η是用来将x射线从源分程传递到样品的光学系统效率，S1是能量色散平面(包含双晶单色器的入射和衍射x射线束的平面)中的源尺寸并且S2是在垂直于色散平面和x射线束轴线的出平面(out-plane)中的源尺寸，Δθ1和Δθ2分别是在散射方向和出平面方向上的x射线束有角度的发散角并且ΔE/E是测量所需的相对光谱带宽。
在样品处的x射线束亮度Bs通常小于x射线源亮度(B)，因为x射线光具组的固有的低聚焦效率和色差导致模糊和有效x射线源尺寸的因此增加。Bs与B近似具有以下关系：
其中δ是x射线光具组的点扩散函数的半峰全宽(FWHM)，假定在源与样品之间的光具组的光学性质在轴向对称并且光具组被构造成使来自源的x射线准直。
穿过双晶单色器的x射线能量带宽ΔE由下式近似给出：
ΔE＝Ecot(θ)Δθ1 [方程式3]
其中E是在双晶单色器130后方的单色x射线束的x射线能量，并且cot(θ)是布拉格角(在入射x射线束与晶体布拉格平面之间的角度)的余切。
本发明的各种实施例被设计成利用明亮的线性累积x射线源、高性能x射线光具组(包括具有小点扩散函数和对源所产生的x射线具有较大立体收集角的x射线反射镜光学器件)、提供其衍射效率与cot(θ)Δθ1的较大乘积值同时实现所希望的能量带宽ΔE的双晶单色器获得较大通量F。
X射线源
线性累积x射线源的各种实施例包括多个x射线子源，并且可以包括至少一个靶，靶包括高热导率低Z材料诸如金刚石或铍的基板(第一材料)和x射线产生材料(第二材料)诸如铜、钼或钨，x射线产生材料根据x射线产生性质诸如光谱特征和x射线产生效率而选择，并且所述靶具有小于10微米的至少一个尺寸。在某些实施例中，靶的热导率主要由基板材料的热导率决定，这允许使用具有较低热导率的x射线产生材料，诸如锗和铅，该些材料原本在现有技术中所采用的邻接的单个材料靶中不适合于作为x射线靶材料，因此允许更多的材料选择用于产生特征性x射线。
图4示意性地示出了可以用于本发明的某些实施例中，提供高x射线亮度的线性累积x射线源的一部分的实施例。在此源中，包括根据x射线产生性质而选择的x射线产生材料的六个离散微结构2701、2702、2703、2704、2705、2706嵌入或埋入于基板2000中并且由搁架2002构造于基板2000的凹陷边缘2003处或附近，其中基板材料具有低平均原子数，高热导率和高熔点。X射线产生微结构2701、2702、2703、2704、2705、2706布置成沿着预定轴线3000的线性阵列，并且当由电子111轰击时发射x射线2888-D。沿着在轴线3000的发散角ψ内的方向，在六个子源内产生的x射线累积并且看起来从单个子源产生。角范围近似限制为D和W中的较小值除以x射线产生区域的总长度6*(1+d)。
条D(沿着靶的表面法线的)的厚度经选择在穿透到基板内的入射电子深度的三分之一与三分之二之间以取得最佳热性能，但是其可以更大或更小。所选的值决定沿着该方向的源大小。其选择也取决于加速电压，因为电子束的穿透随着能量增加。条W的宽度选择为获得在相对应方向上所希望的源大小。尽管在图4中示出了W≈1.5D，其也可以显著更小或更大，取决于所希望的源斑点的大小。
在图4中，离散微结构2701、2702、2703、2704、2705、2706中每一个被示出具有沿着轴线3000的相等长度l。所有六个离散微结构的总长度，6l，将通常设置为～2L，其中L是离散微结构的材料对所关注x射线能量的x射线衰减长度，但是可以选择在0.5L至4L的值。在两个相邻离散微结构之间的基板材料的厚度优选地为在0.5l与3l之间的值，通过考虑基板和离散微结构的材料的相对热导率和质量密度、基板对所关注x射线能量的x射线线性衰减长度和所希望的发散角ψ而优化。
在本发明的线性累积源的一实施例中，入射电子束均匀地照射包含离散微结构的基板的区域。在此情况下，因为电子能量在材料中的沉积率与质量密度成比例，在基板中在两个相邻离散微结构之间与在离散微结构中沉积的能量比近似等于其质量密度之比。本发明的另一优选实施例在于入射电子束在空间上调制成使得其大部分入射到离散微结构上。这使得入射电子能量高效地用于x射线产生并且减少了电子能量在基板中的沉积并且改进了离散微结构的散热。
离散微结构中的每一个具有向基板传热的五个面，增加了从离散微结构2701-2706向基板内的传热。如图所示，微结构的六个面中的五个面与基板成密切热接触，但是微结构的表面积的一半或更多与基板成密切热接触，预期就会发生充分传热。如图所示，在子条之间的分隔为距离d≈l，但是也可以使用更大或更小的尺寸，如上文所讨论。
如图所示，在x射线产生材料的搁架与边缘之间的距离p为p≈W，但是可以选择为从与边缘2003齐平(p＝0)到多达5mm的任何值，取决于基板材料对于所关注x射线能量的x射线再吸收性质、基板与离散微结构的材料的相对热性质以及当利用电子轰击时预期产生的热量。例如，在某些实施例中，通常优选地，x射线穿过距离p的透射率大于50％。从阳极侧部，最优选地以接近零的出射角(定义为在x射线束轴线与阳极表面之间的角度)收集所产生的x射线。
尽管图4示出的离散微结构呈矩形条的形状并且具有相等大小，可以使用任何数目的其它形状和大小以使用线性累积设计原理(即有多个具有离散微结构的子源，所述离散微结构嵌入于或埋入于基板中来改进每个子源的x射线产生材料的散热性质)实现高x射线源亮度，诸如使用立方体、矩形块、正棱柱、直四棱柱、梯形棱柱、球形体、卵形体、桶形物体、圆柱、三棱柱、锥体、四面体或其它特别地设计的形状，包括具有增加表面积的表面纹理或结构的那些形状，以最佳地产生高亮度的x射线并且也高效地散热。而且，在每一个子源中的x射线产生材料可能并非单一均匀材料，而是可以包括x射线产生材料的额外更精细结构。
图5示意性地示出了包括单个微结构2700而不是图4的离散微结构的本发明的实施例。在此图示中，微结构2700到基板内的宽度W和深度D与图4中相同，而微结构2700的累积长度L等于6l。换言之，在图4和图5中的x射线产生材料的体积相同，并且可以由电子束111的相似激发产生类似体积的x射线。图4的关于D、W、L和p的类似设计考虑可以在这里采用。
在图6中，示出了如在本发明的某些实施例中使用的源靶1100-R的变型，包括嵌入于基板1000-R中的微结构700-R的二维阵列。这根据与图4中示出的微结构的一维阵列相同的原理起作用。当利用电子束111轰击时，微结构700-R中的每一个充当x射线子源。如图所示，微结构700-R被布置于基板1000-R中形成的凹陷搁架1002-R的边缘1003-R附近。基板的高热导率和离散微结构的小尺寸的组合允许热高效地从x射线产生材料中抽出，并且因此允许利用更高电子密度和/或更高能量电子来轰击离散微结构，得到更大的x射线亮度和通量，特别是沿着接近零度的出射角。
在这里应当指出的是当在本文中使用词语“离散微结构”时，其特别地指包括x射线产生材料，优选地具有小于100μm的至少一个尺寸的微结构。同样，应当指出的是，尽管使用词语“离散微结构”，有着小于1微米的至少一个尺寸或者甚至小至纳米级尺寸(即，大于10nm)的x射线产生结构也可以由本文所用的词语“离散微结构”来描述，只要性质与各种实施例中所陈述的子源大小和间距(pitch)的几何因数一致。
还应当指出的是，当使用词语“子源”时，其可以指由单个电子束照射的单个x射线产生材料的离散微结构，或者较小x射线产生材料微结构的集合。
在靶中使用的x射线产生材料应具有良好的热性质，诸如高熔点和高热导率，以便允许更高的电子能量加载到源上从而增加x射线生成。X射线产生材料还应当根据其良好的x射线产生性质来选择，x射线产生性质包括x射线产生效率(与其原子数成比例)并且在某些情况下，可能希望产生所关注的具体光谱，诸如特征性x射线光谱线。例如，常常使用钨来制造靶，钨原子序数为Z＝74，这归因于其高效的x射线产生和其高热导率。
图7示意性地示出了在本发明的各种x射线源实施例中所采用的线性累积x射线源的实施例，其包括两个子源，其中靶共用共同基板2230。基板可以是低原子序数、低质量密度、高热导率和高熔点的第一材料，被对准以增加沿着连接两个子源的轴线3001的x射线的线性累积。在此实施例中，源将具有两个电子束1231和1232，两个电子束1231和1232受到控制以轰击涂布于共同基板2230上的相应x射线产生材料2231和2232并且分别产生x射线831和832。
x射线产生材料足够厚以用于高效地产生所需要光谱的x射线但是足够薄以用于所需要的x射线的高透射率。基本原理在于电子穿透厚度通常远小于x射线线性衰减长度，特别是对于更高能量x射线而言。X射线产生材料2231和2232的厚度通常选择为小于或相当于入射电子束穿透到x射线产生材料2231和2232内的深度，也可以使用更大值。如果轰击相对于表面法线以一定角度发生，如图所示，入射角也可能影响涂层厚度的选择。尽管靶2203和2204相对于电子束1231、1232和1222的倾斜被图示为～45°，可以使用允许x射线产生的从0°到90°的任何角度。
共同基板2230的材料通常选自具有高热导率的低Z材料，诸如金刚石、类金刚石材料，和铍以及碳化硅。共同基板的厚度选择为使所关注的x射线能量具有高x射线透射率，常常大于50％。在两个子源之间的距离通常大于入射电子束大小。
也可能子源的阳极中的一个或多个在电子束冲击区域中具有很薄的基板或者甚至零厚度。典型地，子源的阳极(和基板一起或者不和基板一起)支承于支承框架上，支承框架具有合理地大于入射电子束或x射线源大小的开口。支承框架通常具有高热导率并且可以使用本领域技术人员熟知的技术而冷却。在某些实施例中，当基板或框架由金刚石制成以使用金刚石随着温度降低而增加的热导率时，框架将被冷却到-90℃的温度。
尽管在图7中的x射线子源2231和2232被示出为包括单个材料层的延伸靶，在其它实施例中，单个材料层靶中至少一个可以被包括嵌入于或埋入于共同基板2230中的多个x射线产生材料离散微结构(诸如图8中示出的那些)的区域替换。在此图中，在微结构2151和2152集合中的每一个离散微结构中充当x射线子源，在分别由电子束1251和1252照射时，分别产生x射线851和852。当沿着轴线3002-3005彼此对准时，其也产生更高亮度、具有延伸的束轮廓的x射线束，与图7所示的源以相同原理操作。
图9示意性地示出了在本发明的各种实施例中采用的线性累积x射线源的又一实施例，其包括多个具有x射线产生材料的靶2801、2802和2803，这些靶制造于相应基板的两侧上并且沿着预定轴线对准。成像光学器件(2821或2831)收集从一个子源例如2883至不同基板上的另一子源2882的x射线并且对x射线成像使得当沿着轴线观看时来自两个子源的x射线看起来源自在2882的单个子源。以此方式对准多个x射线产生源可以实现x射线的线性累积和更高亮度。如图所示，子源中每一个均具有对应于包含x射线产生材料的靶(分别地2881、2882、2883、2884、2885、2886)的电子束(1181、1182、1183、1184、1885和1186)。x射线靶可以是沉积于其相应基板上的x射线产生材料层，如图7所示，或者包括被制成与其相应基板成密切热接触(诸如嵌入于或埋入于其相应基板中)的多个离散微结构，如图8所示。
为了保存子源的亮度，收集所产生的x射线的x射线成像光学器件可以具有小于两个子源的有效源大小(如果两个子源具有不同的源大小，则小于较小的子源)的点扩散函数。x射线成像光学器件2831和/或2832的聚焦效率可以被设计成大于50％。收集由一个子源所产生的x射线并且将x射线传递至下一子源的这些x射线反射镜的表面轮廓可以被设计成：使得具有所需要的x射线能量的x射线以这样的掠射角入射在x射线反射镜表面上：该掠射角小于或等于反射镜表面材料对所需要的x射线能量全反射的临界角。反射镜表面材料可以是玻璃、或者被涂布高质量密度材料以增加全反射临界角来从线性累积x射线源收集更多的x射线。重要的是，反射表面的材料并不包含这样的元素：对于一个给定的测量，x射线吸收边缘在所关注x射线光谱内。收集和聚焦x射线的典型反射镜可以是对应于椭圆体的表面，但是收集并且聚焦x射线的其它表面构造或光学设计，诸如使用Wolter光学器件的组合的那些或者使用多毛细管光学器件的那些，将是本领域技术人员熟知的。
图9示出了六个x射线子源，其中靶制造于三个单独基板上，其中每两个子源共用共同基板，并且每个由相对应电子束照射，但是任何数量的x射线产生材料区域可以以此方式对准以产生具有线性累积的高亮度x射线源。这种线性累积方法可以重复多次，以获得沿着对准轴线的更高源亮度。包括基板和在沿着轴线的至少一个方向上的x射线产生材料的x射线靶选择为对所关注的x射线能量具有高x射线透射率，优选地大于50％。
也可能子源的阳极中的一个或多个在电子束冲击区域中具有很薄的基板或者甚至零厚度。在某些实施例中，子源的阳极(和基板一起或者不和基板一起)支承于支承框架上，支承框架具有合理地大于入射电子束或x射线源大小的开口。支承框架通常具有高热导率并且可以使用本领域技术人员熟知的技术而冷却。优选地，当基板或框架由金刚石制成以使用金刚石随着温度降低而增加的热导率时，框架将被冷却到-90℃的温度。
在某些实施例中使用的线性累积源靶的材料选择为基板(第一材料)是具有高热导率的低Z材料，诸如金刚石或铍，并且子源的材料(第二材料)根据其x射线产生性质诸如光谱特征和x射线产生效率而选择，并且可以包括(但不限于)铜、钼和钨。在某些实施例中，靶的热导率主要由基板材料的热导率决定，这允许使用较低热导率的x射线产生材料(该x射线产生材料原本不适合于常规邻接的单材料靶中的x射线靶材料)，诸如锗和铅，因此允许更多的元素用于产生特征性x射线。
系统通常被设计成使得在从源到样品的x射线束路径中的所有材料，包括x射线产生材料和基板材料，应不包含(或包含可忽略量的)吸收特别地用于EXAFS测量的所关注光谱区域中的x射线的元素。可以选择多种x射线产生材料以覆盖预定x射线能量范围。
如图1至图9所示的阳极靶可以使用本领域已知的方法冷却，诸如水冷、热电冷却和/或热管，其也可以用来提高阳极的热性能和因此x射线源的亮度。
用来产生电子束的任何现有技术可以用于本文所公开的线性衰减x射线源的实施例。用于产生电子束的某些已知技术包括加热细丝用于热电子发射、肖特基发射(加热和场致发射的组合)、包括纳米结构诸如碳纳米管的发射器和使用铁电材料。[关于用于产生电子束的电子发射选择的更多信息，参看Shigehiko Yamamoto，″Fundamental physics ofvacuum electron sources″，Reports on Progress in Physics第69卷，第181-232页(2006)]。优选地，根据所需要的x射线源大小来优化电子束的大小。
在本发明的某些实施例中，也可以存在电子光学系统，除了提供具有预定性质(电子能量、电流和焦斑大小)的电子束之外，其能控制并且导向相应电子束到在相应x射线靶上其所希望的位置。
X射线光具组
x射线吸收光谱系统的各种实施例包括x射线光具组以收集来自线性累积x射线源的x射线的一部分并且随后对x射线进行光谱过滤、准直或聚焦以产生将入射于待分析样品上的x射线束。应当指出的是在下图中示出为截面图的光具组的变型中光学器件可以轴向对称并且还具有用来吸收未被反射的x射线的吸收束止挡件、狭缝或孔口。然而，x射线光具组的其它设计可能是本领域技术人员熟知的。
光具组，诸如在本文所公开的实施例中使用的那些，在名称为“X-RAY ILLUMINATORSWITH HIGH FLUX AND HIGH FLUX DENSITY”共同待决的美国专利申请(在2014年12月5日提交的美国专利申请14/544,191)中详细地描述，其与并入于其中并且其要求保护权益的临时申请一起以其全文引用的方式并入到本文中。
为了改进光具组的光学元件的数值孔径，本发明的某些实施例可以使用在反射性表面上的涂层。这些涂层优选地是高密度材料(大于2.5g/cm3)诸如铂、铱或金并且通常具有数埃到数纳米的厚度。这种高密度涂层提供更大的反射临界角，允许收集更多x射线。替代地，多层涂层使用两种或更多种材料的交替周期性层来反射x射线，两种或更多种材料对于特定波长提供反射的相长干涉。反射效率取决于x射线的波长和入射角，和交替层的厚度，因此这作为宽带反射器具有有限的用途，但是如果需要具体波长，也可以使用。可用于多层反射器的组合是钨/碳(W/C)、钨/碳化钨(W/WSi2)、钼/硅(Mo/Si)、镍/碳(Ni/C)、铬/钪(Cr/Sc)、镧/碳化硼(La/B4C)和钽/硅(Ta/Si)等。表面也可以是包括合金或若干材料的混合物的复合涂层。
在某些实施例中，光学器件还可以被嵌套(相对于彼此同心)以允许更多地收集x射线，如常用于x射线天文学中的非轴向对称反射镜的典型情况。
图10和图11示意性地示出了用于产生准直高亮度x射线束的光具组部件的变型。图10示出了x射线反射镜3020的截面图，其内反射表面对应于抛物面3010的一部分。其通常被构造成使得其焦点3050将定位于线性累积x射线源的中心，并且其轴线沿着线性累积x射线源的轴线对准，诸如由图4中的轴线3000所示。x射线反射镜3020从源收集x射线并且产生准直x射线束。由于源将不是完美的点光源，准直束成角度会聚近似等于表观线性累积x射线源除以在该源与x射线反射镜3020的进入部之间的距离。
x射线反射镜的表面轮廓被设计成使得具有所需要的x射线能量的x射线以这样的掠射角入射在x射线反射镜表面上：该掠射角小于或等于反射镜表面材料对所需要的x射线能量全反射的临界角。反射镜表面材料可以是玻璃、或者被涂布高质量密度材料以增加全反射临界角来从线性累积x射线源收集更多的x射线。反射镜表面也可以被涂布多层适当材料组合物，具有d间距梯度，或者沿着光轴线的适当d间距梯度，以增加从线性累积x射线源的立体x射线收集角并且获得具有窄光谱的x射线束。
图11示意性地示出了可以用于本发明的实施例中以产生准直高亮度x射线束的另一光具组的截面图。在此示例中，光具组包括I型Wolter反射光学器件，其具有对应于椭圆体的第一部件3040和对应于双曲面的第二部件3040。两个部件对准为同轴，并且椭圆焦点之一Fe1对应于双曲线的焦点之一Fh1。
在本发明的某些实施例中，I型Wolter反射镜通常被构造呈使得焦点Fh1将位于线性累积x射线源的中心并且其光轴线对准以对应于线性累积x射线源的轴线，诸如在图4中的轴线3000。类似于图10中的抛物线光学器件，优选地，准直束在散射平面中的有角度的会聚小于样品的临界角。
x射线光学器件的斜率和表面轮廓被设计成使得具有所需要的x射线能量的x射线以这样的掠射角入射在x射线反射镜表面上：该掠射角小于或等于反射镜表面材料对所需要的x射线能量全反射的临界角。一个或两个反射镜部件的表面材料可以是玻璃，或者被涂布高质量密度材料以增加全反射临界角，全反射临界角与材料密度的平方根成比例。反射镜表面也可以被涂布多层适当材料组合物，具有d间距梯度，和沿着光轴线的适当d间距梯度，以增加从线性累积x射线源的收集x射线的立体角并且获得具有窄光谱的x射线束。与图10中示出的单个抛物面反射镜相比，图11所示的I型Wolter反射镜可以具有多达4倍的从线性累积x射线源收集x射线的立体角，导致具有更大x射线通量的准直x射线束。
x射线光具组还可以包括光谱过滤部件以缩窄现有技术中已知的准直x射线的能量谱，诸如薄箔光谱过滤器。此外，其还可以包括(多个)孔口或(多个)狭缝以获得所希望的束形状和大小，如本领域技术人员已知的那样。
除了准直光学器件之外，用于实施例的光具组的光学器件的变型也可以使用聚焦光学器件。应当指出的是类似于准直光学器件，所有光学反射镜表面材料可以是玻璃，或者可以被涂布高质量密度材料。反射镜表面也可以被涂布多层适当材料组合物，具有d间距梯度，和沿着光轴线的适当d间距梯度以增加从线性累积x射线源收集x射线的立体角并且获得具有窄光谱的x射线束。
图12示出了本发明的实施例的一部分，其包括x射线源308，x射线源308使用靶1100，靶1100包括基板1000和多个微结构1700，多个微结构1700由电子111轰击以产生高亮度x射线888。这些x射线通过窗口1041离开源并且进入光具组，光具组包括呈I型Wolter光学器件形式的光学元件3030和3040，光学元件3030和3040沿着相同轴线3009对准，轴线3009对应于源308中x射线的线性累积的轴线。光具组如图所示还包括束止挡件1854使得光具组的输出是准直x射线束889。
与图10中示出的单个抛物面反射镜相比，I型Wolter反射镜也可以具有4倍的自线性累积x射线源收集x射线的立体角，导致具有更大x射线通量的准直x射线束。虽然在图12中示出的光学器件可以是I型Wolter光学器件，但其它光学元件诸如抛物面光学元件或多毛细管光学器件可以用于本发明的类似实施例中，如果其构造产生准直或接近准直束。
x射线反射镜的表面轮廓可以被设计成使得具有所需要x射线能量的x射线以这样的掠射角入射在x射线反射镜表面上：该掠射角小于或等于反射镜表面材料对所需要的x射线能量全反射的临界角。反射镜表面材料可以是玻璃，或者被涂布高质量密度材料以增加全反射临界角来从线性累积x射线源收集更多x射线。
X-射线单色器
如图3所示，一旦形成准直x射线束，准直x射线束进入单色器以减小能量带宽。通常使用的一个示例是双晶单色器。双晶单色器可以是本领域中已知的任何单色器。双晶单色器可以包括两个单独单晶体，这两个单晶体与其相应衍射平面对准，其相应衍射平面彼此平行。替代地，其可以是使用整体单个晶体形成的切槽单色器。适合的单个晶体材料包括硅(Si)、锗(Ge)、氟化锂(LiF)和锑化铟(InSb)。用于预定能量谱范围的预定光谱带宽的合适晶体衍射平面可以使用已知的技术来选择。
图13示意性地示出了用来对样品240执行XAFS的本发明的实施例。如图12所示，x射线吸收光谱设备包括：线性累积x射线源308，其通过用电子111轰击靶1100而产生高亮度x射线888，靶1100包括基板1000和多个微结构1700，微结构1700包括x射线产生材料。如图所示，x射线产生的起源沿着与第一抛物面x射线反射镜3026的轴线重合的预定轴线发生，第一抛物面x射线反射镜3026适当地定位和对准以产生准直x射线束889。尽管示出了抛物面反射光学器件，该光学器件可以替代地包括I型Wolter光学器件，如图12所示，或者能产生准直x射线束889的任何其它数量的其它x射线光学元件。
准直x射线束889然后进入双晶体单色器333，双晶体单色器333包括第一晶体3054，第一晶体3054将所需要的光谱分量889-1反射到第二晶体3056上以进一步限制光谱带宽来产生具有预定x射线能量的单色化的x射线束889-2。晶体单色器可以是本领域中已知的任何类型，诸如常见的U形(切槽)晶体，其包括硅(Si)或锗(Ge)单晶体或者平行半导体晶体板。双晶单色器旋转以改变准直x射线束的布拉格角，这允许通过改变布拉格角来选择所关注的x射线能量。一个或两个反射镜部件的表面材料可以是玻璃，或者被涂布高质量密度材料以增加全反射临界角以从线性累积x射线源收集更多x射线。重要的是反射表面的材料不包含这样的元素：对于一个给定的测量，x射线吸收边缘在所关注的x射线光谱内。
应当指出的是根据方程式1，在出平面方向上的有角度的会聚Δθ2和x射线源大小S2可以优选地较大以获得较大x射线通量而不会影响双晶单色器的能量谱带宽。x射线反射镜的表面轮廓被设计成使得具有所需要x射线能量的x射线以这样的掠射角入射在x射线反射镜表面上：该掠射角小于或等于反射镜表面材料对所需要的x射线能量全反射的临界角。反射镜表面材料可以是玻璃，或者被涂布高质量密度材料以增加全反射临界角以从线性累积x射线源收集更多x射线。
检测和分析
如图13所示，在离开单色器333之后，在本发明的某些实施例中，单色x射线束889-2将直接导向至待检查的样品240上。透射的x射线889-X然后落到检测器290上，检测器290检测x射线并且然后将它们转变为电信号。这些电信号然后经历信号处理电子器件292的信号处理，然后在分析系统295中经历进一步分析，分析系统295也可以具有显示器298以显示结果。
部分透射检测器(未图示)可以放置于样品240前面以测量入射于样品上的x射线束，或者样品可以附连到机电台上，机电台将样品从束移出以测量入射x射线束然后回到束内以测量透射的x射线束。在某些实施例中，额外光具组、过滤器和/或单色器可以放置于样品后面但检测器前面以移除背景x射线并且改进信噪比。
光具组、单色器333和保持样品240的台的元件的运动可以得到协调以允许确定与特定x射线能量设置相关的电子信号。也可以收集多个设置的多个数据点以提供XAFS光谱。
在各种实施例中，x射线检测器290可以包括充气比例计数器、电离腔室、硅漂移检测器和本领域中已知的其它x射线检测器，以检测随单色x射线能量而变化的通过样品透射的x射线的强度。此外，光谱仪诸如硅漂移检测器也可以用来检测随单色x射线能量而变化的来自样品的荧光x射线。
本发明的实施例也存在其它变型。额外光谱过滤器或者单色器可以用于样品240与检测器290之间以选择来自样品240的x射线的特定部分用于检测。这可以特别适用于来自样品240的大量x射线荧光可能干扰透射的x射线所产生的信号的情况。替代地，如图3所示，可以包括第二检测器以直接、在样品240的后侧上或者从前侧检测荧光(在x射线束通过样品之前)。取决于所研究的材料和所研究的光谱，这种荧光监视器也可以用作入射x射线强度的独立监视器。
图14示出了一种变型，其中额外聚焦光学器件3021设置于单色器333后方以将准直束889-2转变为会聚x射线束887。这允许探测在样品240上特定位置的x射线透射率，如果存在某些成分和表面品质变化，这是合乎需要的。同样，当用于聚焦单色x射线束时样品的平移可以提供关于样品微成分的信息。
为了保持聚焦x射线束在样品上的固定位置，双晶单色器可以根据在同步x射线吸收光谱设施中广泛使用的单色器来设计。替代地，当使用切槽双晶单色器时，样品可以由机电系统移动以保持聚焦x射线束位置固定在样品上的相同斑点。
局限性和扩展
本申请公开了本发明的若干实施例，包括本发明者设想到的最佳实施方式。应当认识到虽然可能给出了具体实施例，仅对某些实施例详细地讨论的元件也可以适用于其它实施例。以引用的方式并入到本申请的共同待决的申请中的元件也可以并入到本文所公开的本发明的实施例中。
虽然叙述了具体材料、设计、构造来描述本发明和优选实施例，这些描述并无限制意图。修改和变化对于本领域技术人员显然，并且预期本发明仅受到所附权利要求的范围限制。
优选地包括本文描述的所有元件、零件和步骤。应了解这些元件、部件和步骤中的任一个可以被其它的元件、零件和步骤替换或者一并删除，如对于本领域技术人员显然。
概括地，本书面描述公开了至少以下内容：
本公开提供一种用于x射线吸收精细结构(XAFS)测量的系统，其具有大于现有紧凑系统若干数量级的x射线通量和通量密度。其适用于x射线吸收近边光谱(XANES)或者延伸式x射线精细吸收结构(EXFAS)光谱的实验室或现场应用。
通过使用x射线靶的设计实现了更高的亮度，x射线靶包括多个对准的x射线产生材料的微结构，这些微结构被制成与具有高热导率的基板成密切热接触。这允许利用更高电子密度和/或更高能量的电子进行轰击，导致更大的x射线亮度和高通量。
然后高亮度x射线源耦合到用于使x射线准直的x射线反射光学系统和单色器，单色器选择适当暴露能量。使用高通量单色x射线的样品的吸收光谱可以使用标准检测技术得到。
概念：
本说明书也至少展示了下来概念：
概念1.一种x射线测量系统，包括：
X射线源，包括：
至少一个电子束发射器；以及
至少一个阳极靶，包括：
基板，其包括第一选定材料；以及
多个离散微结构，其包括根据其x射线产生性质选择的第二材料；
其中所述多个离散微结构中每一个与所述基板成热接触；以及
其中所述离散微结构中至少一个具有小于20微米的至少一个尺寸；
光具组，其用来收集由所述阳极靶生成的x射线并且产生具有预定束性质的x射线束；
支架，其用来保持待研究的物体定位成使得所述x射线束将入射于所述物体上；以及
检测器，其用来测量通过所述物体透射的x射线。
概念2.根据概念1所述的系统，还包括：
检测器，其用来测量入射于所述物体上的x射线强度。
概念3.根据概念1-2所述的系统，还包括：
检测器，其用来测量当所述物体向预定能量和带宽的x射线暴露时由物体发射的x射线荧光的强度。
概念4.根据概念1-3所述的系统，还包括：
控制系统，其用来协调所述单色器的设置和所述物体的位置和旋转。
概念5.根据概念1所述的系统，其中，
所述离散微结构中所述至少一个的每个侧向尺寸小于50微米。
概念6.根据概念1-4所述的系统，其中，
所述多个离散微结构被布置成沿着预定轴线的线性阵列；以及
所述光具组也沿着所述预定轴线对准。
概念7.根据概念1-6所述的系统，其中，
所述第一选定材料选自下列：
铍、金刚石、石墨、硅、氮化硼、碳化硅、蓝宝石和类金刚石。
概念8.根据概念1-7所述的系统，其中，
所述第二材料选自下列：
铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、镓、锌、钇、锆、钼、铌、钌、铑、钯、银、锡、铱、钽、钨、铟、铯、钡、金、铂、铅和其组合和合金。
概念9.根据概念1-8所述的系统，其中，
所述多个离散微结构的子集包括根据其x射线产生性质选择的第三材料。
概念10.根据概念9所述的系统，其中，
所述第三材料选自下列：
铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、镓、锌、钇、锆、钼、铌、钌、铑、钯、银、锡、铱、钽、钨、铟、铯、钡、金、铂、铅和其组合和合金。
概念11.根据概念1-10所述的系统，其中，
所述多个离散微结构被布置成使得当所述多个预定量的离散微结构向来自所述电子束发射器的电子束暴露时由所述多个预定量的离散微结构生成的x射线通过选自所述多个离散微结构中的离散微结构中的预定离散微结构透射。
概念12.根据概念1-11所述的系统，包括：
多个电子发射器；以及
多个阳极靶，使得
每个电子发射器对准以提供电子束来轰击相对应阳极靶从而生成x射线；以及
所述阳极靶对准使得产生x射线的位置沿着预定轴线对准；以及
所述光具组也沿着所述预定轴线对准。
概念13.根据概念1-12所述的系统，其中，
所述光具组包括x射线反射器，所述x射线反射器具有对应于二次曲面的表面。
概念14.根据概念13所述的系统，其中，
所述二次曲面选自下列：球状体、椭圆体、抛物面、双曲面、椭圆柱、圆柱体、椭圆锥体和圆锥体。
概念15.根据概念1-14所述的系统，其中，
所述光具组为I型Wolter x射线光学器件。
概念16.根据概念1-15所述的系统，其中，
所述预定能量带宽小于10eV。
概念17.根据概念16所述的系统，其中，
所述预定能量带宽小于1eV。
概念18.根据概念1-17所述的系统，其中，
所述单色器包括切槽晶体，所述切槽晶体包括选自下列的材料：
硅、锗、氟化锂和锑化铟。
概念19.根据概念1-18所述的系统，其中，
所述单色器包括双晶体单色器。
概念20.一种x射线吸收精细结构测量系统，包括：
高亮度x射线源，包括：
至少一个电子束发射器；以及
至少一个阳极靶，包括：
基板，其包括第一选定材料；以及
至少一个x射线产生结构，其包括根据其x射线产生性质而选择的第二材料；
光具组，其用来收集由所述阳极靶生成的x射线并且产生准直x射线束；
x射线单色器，其用来从所述准直x射线束选择预定能量和预定能量带宽的x射线；
支架，其用来保持待研究的物体定位成使得所述预定能量和带宽的x射线能通过所述物体透射；以及
检测器，其用来测量通过所述物体透射的x射线。

Claims (20)

1.一种x射线吸收测量系统，包括：
x射线源，该射线源包括：
至少一个电子束发射器；以及
至少一个阳极靶，该阳极靶包括：
基板，其包括第一选定材料；以及
多个离散微结构，其包括根据其x射线产生性质选择的第二材料；
其中所述多个离散微结构中每一个与所述基板成热接触；以及
其中所述离散微结构中至少一个具有小于20微米的至少一个尺寸；
光具组，其用来收集由所述阳极靶生成的x射线并且产生具有预定束性质的x射线束；
支架，其用来保持待研究的物体定位成使得所述x射线束将入射于所述物体上；以及
检测器，其用来测量通过所述物体透射的x射线。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：
检测器，其用来测量入射于所述物体上的x射线强度。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括：
检测器，其用来测量当所述物体向预定能量和带宽的x射线暴露时由所述物体发射的x射线荧光的强度。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括：
控制系统，其用来协调所述单色器的设置和所述物体的位置和旋转。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述离散微结构中所述至少一个的每个侧向尺寸小于50微米。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述多个离散微结构被布置成沿着预定轴线的线性阵列；以及
所述光具组也沿着所述预定轴线对准。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述第一选定材料选自下列：
铍、金刚石、石墨、硅、氮化硼、碳化硅、蓝宝石和类金刚石。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述第二材料选自下列：
铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、镓、锌、钇、锆、钼、铌、钌、铑、钯、银、锡、铱、钽、钨、铟、铯、钡、金、铂、铅和其组合和合金。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述多个离散微结构的子集包括根据其x射线产生性质选择的第三材料。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，
所述第三材料选自下列：
铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、镓、锌、钇、锆、钼、铌、钌、铑、钯、银、锡、铱、钽、钨、铟、铯、钡、金、铂、铅和其组合和合金。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述多个离散微结构被布置成使得当所述多个预定量的离散微结构向来自所述电子束发射器的电子束暴露时由所述多个预定量的离散微结构生成的x射线通过选自所述多个离散微结构中的预定的一个离散微结构透射。
12.根据权利要求1所述的系统，包括：
多个电子发射器；以及
多个阳极靶，使得
每个电子发射器对准以提供电子束来轰击相对应阳极靶从而生成x射线；以及
所述阳极靶被对准使得产生x射线的位置沿着预定轴线对准；以及
所述光具组也沿着所述预定轴线对准。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述光具组包括x射线反射器，所述x射线反射器具有对应于二次曲面的表面。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，
所述二次曲面选自下列：球状体、椭圆体、抛物面、双曲面、椭圆柱、圆柱体、椭圆锥体和圆锥体。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述光具组为I型Wolter x射线光学器件。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述预定能量带宽小于10eV。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，
所述预定能量带宽小于1eV。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述单色器包括切槽晶体，所述切槽晶体包括选自下列的材料：
硅、锗、氟化锂和锑化铟。
19.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述单色器包括双晶体单色器。
20.一种x射线吸收精细结构测量系统，包括：
高亮度x射线源，其包括：
至少一个电子束发射器；以及
至少一个阳极靶，该阳极靶包括：
基板，其包括第一选定材料；以及
至少一个x射线产生结构，其包括根据其x射线产生性质而选择的第二材料；
光具组，其用来收集由所述阳极靶生成的x射线并且产生准直x射线束；
x射线单色器，其用来从所述准直x射线束选择预定能量和预定能量带宽的x射线；
支架，其用来保持待研究的物体定位成使得所述预定能量和带宽的x射线能通过所述物体透射；以及
检测器，其用来测量通过所述物体透射的x射线。
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