CN110621986A - 执行x射线光谱分析的方法和x射线吸收光谱仪系统 - Google Patents

Abstract

用于执行x射线吸收光谱分析的方法和x射线吸收光谱仪系统，该x射线吸收光谱仪系统与紧凑的实验室x射线源一起使用，从而以高空间分辨率和高光谱分辨率测量对象中感兴趣元素的x射线吸收。光谱仪系统包括：紧凑的高亮度实验室x射线源；使x射线聚焦通过要检查的对象的光学组件；以及包括单晶分析仪(在某些实施例中还包括镶嵌晶体)的光谱仪，用于将透射射束分散到空间分辨x射线检测器上。高亮度/高通量x射线源可以具有在0到105mrad之间的出射角，并且耦接到光学组件，该光学组件收集高通量x射线并使其聚焦到小于500微米的点上，从而得到高通量密度。光学组件的涂层还可以充当“低通”过滤器，从而允许一次观察到预定带宽的x射线，同时排除高次谐波。

Description

执行x射线光谱分析的方法和x射线吸收光谱仪系统

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2017年3月22日提交的临时专利申请号62/475,213的优先权，该临时申请是2017年2月14日提交的美国专利申请15/431,786的部分继续申请，该部分继续申请又是2016年9月19日提交并且现在以US 9,570,265公布的美国专利申请15/269,855的部分继续申请，并且还是2016年5月27日提交的美国专利申请15/166,274的部分继续申请，这些专利申请的全部内容通过引用的方式合并入本文中。另外，美国专利申请15/269,855是2014年12月5日提交并且现在作为美国专利9,449,781公开的美国专利申请14/544,191的部分继续申请(该专利申请通过引用的方式全部并入本文中)，后者要求2013年12月5日提交的美国临时专利申请号61/912,478、2013年12月5日提交的61/912,486、2014年2月28日提交的61/946,475以及2014年6月6日提交的62/008,856，所有这些专利申请通过引用的方式全部并入本文中。申请15/269,855也是2015年3月3日提交并且现在作为美国专利申请9,448,190公布的美国专利申请14/636,994的部分继续申请，这些专利申请的全部内容通过引用并入本文，并且进而要求2014年6月6日提交的美国临时专利申请号62/008,856、2014年12月1日提交的62/086,132以及2015年2月17日提交的62/117,062的权益；所有这些专利申请通过引用的方式全部并入本文中。

技术领域

本文公开的本发明的实施例涉及一种执行x射线光谱分析的方法以及具有x射线照射系统的x射线光谱分析系统，该x射线照射系统包括具有大于10eV的能量带宽的聚焦x射线光学器件，该x射线光学器件收集来自实验室源的x射线并将部分收集的x射线以小于500微米的焦点尺寸聚焦在对象上或附近。在许多实施例中，焦点是＜10-20μm。光谱仪的各种实施例可以具有各种x射线材料和光学元件以提供适合于各种x射线光谱分析应用的各种x射线带宽范围。

背景技术

1.介绍

测量材料的x射线吸收特性(尤其是在电离能附近)可以揭示有关材料的组成和化学状态的信息。x射线吸收光谱分析(XAS)是在高亮度同步加速器光源下通常用于化学分析的一种技术，但是由于所需的获取时间较长并且实验室系统的光谱分辨率较低相结合，因此在实验室中的应用受到限制。为此，描述了一种具有重大创新的实验室XAS系统以增加特定能量下x射线的通量并实现高光谱分辨率，从而允许更好地分析与吸收边缘相关的吸收精细结构。

为了使用实验室x射线源创建这种功能，需要一种用于x射线吸收光谱分析的新方法。

1.1X射线源

通常，实验室的x射线源是通过利用在真空中通过电势(以keV测量)加速的电子轰击具有选定x射线生成材料的阳极靶而产生的。随着电子和材料的碰撞，可能发生几种能量传递机制，包括热量和产生x射线。用高达原始电子能量(在本示例中约50KeV)的x射线能量产生x射线光谱，该x射线光谱包括特征x射线和连续谱，通常被称为韧致辐射。增加x射线源亮度的方法是通过提高加速电压来增加电子的能量，使用具有较高原子序数Z的靶材，和/或增加轰击该材料的电子密度。然而，这通常受到材料吸收能量而不熔化或损坏的能力的限制。因此，大多数现有技术的电子轰击x射线源包括具有良好热特性(诸如高熔点和高导热率)的单一x射线辐射材料。靶材还可以安装在基板上或嵌入其中，该基板具有被选择为高效地将热量从x射线生成材料传导出去的特性，而x射线生成材料的厚度受到电子穿透深度的限制。

1.2X射线聚焦光学器件

由电子束轰击产生的x射线通常会在所有方向上辐射，并且可以通过使用光学器件来增加给定分析区域的样品上的x射线通量密度。对于XAS测量，聚焦光学器件需要针对能量带宽工作。在迄今为止开发的XAS实施例中，通常不使用x射线光学器件，而是使用微焦点x射线源。

1.3X射线吸收光谱仪

X射线吸收光谱分析(XAS)通常以大于10eV的能量分辨率测量对象在预定能量范围内吸收的随x射线能量变化的x射线比例，包括对象中元素的吸收边缘。由于同步加速器光源的高亮度和容易的能量可调性，因此通常在同步加速器光源上进行。基于实验室的小型x射线吸收光谱分析系统将容易访问和完全控制；但是，实验室XAS系统的性能受到许多因素的组合的极大限制，这些因素包括实验室x射线源的韧致辐射的低亮度、与使用高折射率反射有关的晶体分析仪的低衍射效率以及非最佳光谱仪的设计。这些限制通常导致不可接受的长获取时间(高达约数十小时)和/或差的能量分辨率。因此，很少使用实验室系统。

最近开发的实验室内系统使用球形弯曲晶体分析仪来实现XANES测量所需的足够高的能量分辨率(Seidler，G.T.等“现代实验室XAFS手册”，物理学期刊：会议系列，第712卷，第1辑，IOP出版，2016年)。但是，该系统有若干个限制，这些限制包括：在源和对象之间没有聚焦光学器件，导致对象上的x射线通量密度低；需要大的照明区域以在对象上获得足够的x射线通量；由于照明面积大，晶体分析仪需要在高布拉格角下工作以获得足够的能量分辨率；因为对于在高布拉格角下工作的晶体分析仪的x射线能量范围通常被限于窄的工作能量范围，光谱仪需要大量晶体分析仪以在足够宽的能量带宽上工作；因为在高布拉格角下工作的晶体分析仪通常反射比XAS测量所需的能量分辨率明显更窄的能量带宽，所以会导致测量吞吐量的显著损失。另外，XAS测量通常是通过逐点扫描x射线能量来执行的。

因此，需要一种能够克服现有实验室XAS系统的局限性的具有高通量的实验室x射线吸收光谱分析系统。

发明内容

在本申请中提出的是用于执行x射线吸收光谱分析测量的方法和系统，以及以高吞吐量、高空间分辨率和高光谱分辨率来测量x射线透射的x射线吸收光谱仪。

设备

所公开的x射线吸收光谱仪包括实验室x射线源和光学组件，该光学组件使从要检查的对象上或附近的x射线源出现的x射线聚焦在大于10eV的能量带宽上，焦点尺寸小于500微米。光学组件的有益效果包括样品上的高x射线通量和用于分析小区域(高空间分辨率)的小照射点以及使用具有低布拉格角以实现高通量的晶体分析仪和光谱仪的紧凑性。另外，它还可以用作对x射线具有预定的高能截止的低通滤波器。通过使用具有能够用作低通聚焦反射器的特性的光学组件的有益效果是：通过使x射线源中的轰击电子的能量实质上更高，可以增加x射线源的x射线生成效率。

光学组件中的x射线光学元件可以包括毛细管x射线光学器件，该毛细管x射线光学器件包括与二次函数的一个或多个部分相对应的反射表面轮廓，诸如抛物面、椭圆体或Wolter型(例如，抛物面和双曲面轮廓)。光学元件包括但不限于基于全外反射的x射线镜面光学器件。对于以角度入射到原子数为Z的材料表面上的x射线，对于近掠射角(例如)，反射率接近100％；对于大于与材料相关且与x射线能量相关的临界角的角度，反射率会下降。临界角通常小于2°，从而限制了大多数x射线光学系统的接收角。

在窄能量带宽足以进行XAS测量的一些情况下，可以使用聚焦多层光学器件，诸如蒙特光学器件(Montel Optics)。

在一些实施例中，较高亮度的紧凑型x射线源部分地通过使用用于从电子束轰击产生x射线的新型x射线靶来实现。这些x射线靶配置可以包括一种或多种选定的x射线生成材料的许多微观结构，这些材料被制造成与具有高导热率的基板紧密热接触(例如嵌入或掩埋)，使得从x射线生成材料中更高效地去除热量。这进而允许以更高的电子密度和/或更高的能量电子轰击x射线生成材料，这导致更大的x射线亮度和更大的x射线通量。

要检查的对象被放置在聚焦的x射线束的路径中，并且孔可以被放置在焦点处或附近以选择性地使透射的x射线通过，同时限制广泛辐射的x射线荧光。对象可以在相对于x射线束垂直的平面上平移以允许收集透射光谱的二维“映射”或使其在平移或不平移的情况下围绕其轴线旋转，使得可以收集透射光谱的3D层析成像。

x射线吸收光谱分析系统还包括至少一个空间分辨x射线检测器。晶体分析仪被定位成接收透射穿过对象的x射线并使其衍射到空间分辨检测器上，并进行对准，使得检测器的不同像素对应于不同的x射线波长。

附图说明

图1示出了根据本发明的x射线光谱仪的实施例的元件的示意性截面图。

图2示出了靶的一部分，该靶包括可以在本发明的一些实施例中使用的单块x射线生成材料。如图所示，x射线1488相对于表面以零出射角出射，但是也可以使用利用非零出射角的其他对准。

图3示出了具有多个金属丝微观结构的靶的俯视图。

图4示出了靶的一部分，该靶包括可以在本发明的一些实施例中使用的x射线生成材料的若干个微观结构。

图5A示出了可以在本发明的一些实施例中使用的产生x射线的x射线靶的示意性剖视图。

图5B示出了图5A的x射线靶和x射线辐射的透视示意图。

图5C示出了图5A的x射线靶和x射线辐射的更详细的示意性剖视图。

图6示出了靶的一部分，该靶包括可以在本发明的一些实施例中使用的各自具有不同的x射线生成材料的两组微观结构。

图7示出了靶的一部分，该靶包括可以在本发明的一些实施例中使用的各自具有不同的x射线生成材料的三个x射线生成结构。

图8A示出了可以在本发明的一些实施例中使用的x射线源和包括椭圆形光学元件的光学组件的示意性剖视图。

图8B示出了x射线源和光学组件的一部分的示意性透视图。

图9A示出了x射线源和包括一对抛物面光学元件的光学组件的示意性剖视图。

图9B示出了x射线源和光学组件的一部分的示意性透视图。

图10示出了使用单个分析仪晶体的光谱仪系统的示意性剖视图。

图11示出了光谱仪部分的示意性剖视图。

图12示出了被布置成示出相关罗兰圆的光谱仪的示意图。

图13A-13D示出了所公开的光谱仪的示意图。

图14示出了光谱仪系统的透视示意图，该光谱仪系统具有用于x射线源、光学组件、孔和分析仪晶体位置的多个选项。

图15示出了用于获得x射线吸收光谱分析信息的方法的流程图。

具体实施方式

1.本发明的基本实施例

图1示出了一种x射线光谱仪系统200的实施例，该x射线光谱仪系统包括：x射线源80；x射线光学系统3000，包括要通过x射线透射进行检查的对象240，也被本领域技术人员称为样品；光谱仪3700，包括检测器290和晶体291；以及信号处理电子器件292和具有显示器298的分析系统295。在下文中，要检查的对象240也被称为样品。

源80包括真空环境(通常为10^-6托或更高)，该真空环境通常由密封真空室20或主动泵维持，并用密封的电引线21和22制造，该电引线从管外侧的高压源10的负端子和正端子到达真空室20内的各个元件。源80通常包括将真空室20固定在壳体50中的安装座30，并且壳体50可另外包括屏蔽材料，诸如铅，以防止x射线被源80辐射到不希望的方向。

在真空室20内，电子发射器11通过引线21连接到高压源10的负端子，该高压源10的负端子用作阴极并生成电子束111。用于生成电子束的任何数量的现有技术可用于本文公开的本发明的实施例，诸如热电子发射、场发射、肖特基发射、包含纳米结构(诸如碳纳米管)的发射体以及通过使用铁电材料。

包括靶基板1000和一个或多个x射线生成结构700(包括一个或多个生成x射线的材料)的靶1100电连接到相反的高压引线22和靶支架32，该靶支架接地或相对于电子发射器11连接到正电压，从而用作阳极。电子111朝着靶1100加速并以高能量与之碰撞，其中电子的能量由加速电压的大小确定。电子111碰撞到靶1100中引起几种效应，包括x射线888的辐射，其中一些x射线离开真空室20并通过能够透射x射线的窗口40进行透射。

在本发明的某些情况下，也可以有电子控制机构70，诸如静电透镜系统或其他电子光学器件的系统，该电子控制机构由控制器10-1通过附加引线27控制并与电子发射器11提供的电子剂量和电压相协调。因此，电子束111可以被扫描、聚焦、散焦或以其他方式引导到靶1100上，该靶包括被制造为与基板1000紧密热接触的一个或多个x射线生成结构700。

一旦x射线888离开x射线源80，一部分x射线就被光学系统3000收集，该光学系统通常包括一个或多个光学组件840。在一些实施例中，光学组件包括具有轴向对称性的x射线光学元件，诸如毛细管光学器件。光学组件840的元件以掠射角反射x射线，以将x射线的一部分887聚焦到焦点上。在许多情况下，具有一个或多个孔272的孔部件270与焦点重合。要检查的对象240通常被放在安装座244中，并且刚好位于孔272之前。安装座可以允许对象240平移和/或旋转，使得对象240的不同部分被会聚的x射线887照射，从而允许通过系统扫描或从多个入射角度照射对象240上的不同位置，并且该运动由控制器246控制。沿光学组件的轴传播的未收集且未聚焦的x射线可能会被射束截捕器850阻挡。

一旦x射线887的聚焦部分会聚到对象240上，光谱仪3700就收集透射的x射线888-T。光谱仪3700通常包括至少一个分散x射线晶体291和x射线检测器290。在一些情况下，样品上的x射线的表观来源与至少一个分析仪晶体之间的距离小于两(2)米。检测器290通常将是阵列检测器，该阵列检测器被定位为记录随位置变化的分散的x射线的强度。附加信号处理电子器件292和分析系统295使强度信号与相应的x射线能量相关。分析系统295可以另外包括显示器298。检测器290还可以包括用作x射线光谱仪的传感器和电子设备，这些传感器和电子设备分析从对象240射出的x射线荧光光子的数量及其能量。

x射线光学组件被放置在x射线源的下游以收集并聚焦由x射线源产生的x射线的一部分。x射线光学器件具有截止能量，在截止能量以上，x射线反射将减少到30％或更少。使用该光学器件可使x射线源在更高的加速电压下工作，这样显著提高了韧致辐射的高效生成。在现有技术中，由于来自多级衍射的潜在污染，实验室x射线源已被限制为小于被检查的感兴趣元素的特征能量的2倍的操作。在某些情况下，x射线光学组件包括至少一个毛细管x射线光学器件，这些毛细管x射线光学器件的内表面轮廓对应于二次函数的一个或多个部分，诸如椭圆体、抛物面或Wolter型(抛物面和椭球/双曲面)。在某些情况下，x射线光学器件可以是蒙特反射镜(Montel mirror)或本领域技术人员已知的其他x射线光学器件。在某些情况下，光学器件可以涂覆有涂层，诸如多层涂层或高原子元素(例如，原子序数大于26)或合金，诸如铂。

x射线光学组件的焦点用作包含一个或多个晶体的光谱仪的次级源。这样的光谱仪在本文中描述并且包括至少一个x射线晶体和一个x射线检测器。

2.X射线源光谱

如图1所示，x射线源80通常具有窗口40。该窗口40可以使低能x射线衰减。该窗口和/或光学组件可以另外包括滤光片(诸如铝片或铝层)以进一步衰减低能x射线。

如果光学组件包括一个或多个x射线光学元件，其中x射线以接近掠射角(例如几度或更小的角度)照射元件的内表面，高能x射线将超过临界角，并且不会被反射。因此，这样的光学器件具有用于反射的“高能截止”。对于给定的材料和临界角，很好地定义了“高能”截止值，并且高能x射线的衰减防止在光谱仪的下游观察到来自高次谐波(例如能量的两倍(2x))的杂散信号。然而，在高能量下可能观察到某些材料在反射光谱中的其他结构。对于某些x射线反射光学器件，可以针对大于截止能量1.2倍的所有能量将反射率设计为低于25％。对于某些x射线反射光学器件，可以针对大于截止能量1.2倍的所有能量将反射率设计为低于10％。

3.结构化X射线源

可以使用本领域技术人员已知的任何数量的x射线源，诸如商业微焦点源或旋转阳极源。在一些优选实施例中，使用包括与导热基板紧密热接触的多个x射线材料“线”的靶的x射线源。这可以通过本领域中已知的许多方法来实现，诸如溅射或通过将多种材料钎焊在基板上。电子束和靶可以相对于彼此移动，使得不同的靶材被轰击并产生不同的光谱。在一些实施例中，x射线生成材料是微观结构化的。

x射线源的其他实施例描述于美国专利申请“使用线性累积的x射线源”(2014年9月19日提交的美国专利申请14/490,672并且现在以美国专利9,390,881公布)、“使用线性累积的X射线源”(2016年4月1日提交的美国专利申请14/999,147并且现在以美国专利公布9,543,109)以及“使用线性累积来分散X射线源”(2016年5月27日提交的美国专利申请15/166,274)，所有这些专利申请连同这些专利和共同待审的专利申请要求权益的任何临时申请通过参考的方式全部并入本文中。

在以上引用的专利和专利申请中公开的任何靶和/或源设计和构造可以被认为用作本文公开的任何或所有方法或系统中的部件。这样的变化可以包括主动冷却系统，该主动冷却系统包括在目标附近携带液体或将液体携带到靶中以去除热量的通道。需注意，呈现这些图示是为了帮助理解本技术，并且在这些图中未按比例绘制各种元件(微观结构、表面层、冷却通道等)。

还需注意，如所描述的，用于本技术的各种实施例的x射线源可以是利用电子轰击固体阳极靶的微聚焦源或由沉积在基板上的金属层构成的靶。靶还可以包括多种x射线生成材料，诸如溅射的材料的条或钎焊在基板上的导线，和/或可以另外包含其中x射线生成材料为熔融态或液体的区域。此外，x射线源可以是被设计为使用液态金属(诸如镓液态金属射流)作为阳极的许多其他x射线源中的任何一个。一种或多种x射线源靶材被优选地选择以优化在稍微高于感兴趣的预定元素的吸收边缘的能量下的x射线的产生。

图2中呈现了可以在本发明的一些实施例中使用的靶的一部分的图示，其中包括单个微观结构700的x射线生成区域被配置为在靠近基板1000的边缘的可选的凹陷架1002的凹陷边缘1003处或附近嵌入到基板1000中。产生x射线的微观结构700可以是宽度为W、长度为L、深度或厚度为D的矩形条的形状，该矩形条被嵌入基板1000中并且在被电子111轰击时产生x射线1488。条D的厚度(沿着靶的表面法线)被选择为在该入射电子能量下在x射线生成材料的电子穿透深度的三分之一和三分之二之间。靶中使用的产生x射线的材料应当理想地具有良好的热性能。为了具有良好的x射线生成特性，应当另外选择x射线生成材料，x射线生成特性包括x射线生成效率(与其原子序数成正比)，并且在某些情况下，可能期望产生感兴趣的特定光谱。还可以选择基板1000的材料以具有高的导热率，在室温下通常大于100W/(m℃)。

在一些情况下，基板可以包括1或高纵横比(“导线”)微观结构。图3示出了具有多个金属丝微观结构的靶的俯视图。靶250包括导线微观结构320和基板310。微观结构320之间的间距可以是下界以避免当电子束撞击单个靶微观结构时产生来自相邻靶的x射线。微观结构320可以是多种金属或合金中的任何一种，诸如Ti、Al、Cu、Cr、Fe、Mo、Rh、Co、W、Pt、Ag和Au，并且每个微观结构可以是与其他微观结构不同的材料，从而允许每个导线320产生具有不同光谱的x射线。在某些情况下，可以在本系统中实现相同材料的多根导线，以提供更长的使用期限或使用寿命的系统。基板310可以是任何高导热材料，诸如金刚石或铜。

微观结构之间的空间的宽度Wc可以为15μm(微米)或更大。导线微观结构的宽度Ws可以小于或等于250或300μm(微米)。如图3所示，基板可以延伸得比一个或多个微观结构更长，或者可以具有相同的长度并且与一个或多个微观结构齐平。在一些情况下，导线微观结构320可以被嵌入在基板1000内。嵌入的导线可以具有矩形(如图32所示)、弯曲、圆形、正方形或任何其他形状的横截面。在一些情况下，靶可以具有多个表面安装的导线微观结构。

在一些实施例中但未在图32和33中示出，在微观结构和基板之间可以存在一层或多层422。这些可以包含防止扩散的材料(例如，Ta)和/或提高微观结构与基板之间的导热性的材料(例如，Cu和金刚石之间的Cr)。

具有至少一个小于1mm的尺寸或者甚至小至纳米级尺寸(即，大于10nm)的x射线生成结构也可以用本文所用的词“微观结构”来描述，只要性质与在各个实施例中阐述的子源尺寸和光栅节距的几何因子一致。一些微观结构可以具有为几毫米或超过1cm的一个尺寸(例如，L)，而其他尺寸例如为小于250μm。

通过移动阳极或通过使用电子控制机构引导电子束，电子束被引导到不同的靶材上。x射线源窗口被对准使得x射线的出射角小于30度。

可以发现将x射线生成材料分布在基板内的替代方法。图4中呈现了可以在本技术的此类实施例中使用的替代靶的一部分的图示。在该靶中，具有微观结构711-717的x射线生成区域710被配置在架子1002上的靶基板1000的凹陷边缘1003处或附近，并且在被电子111轰击时产生x射线1788。

条可以被嵌入在基板中(如图所示)或在基板的顶部上。

如上面引用的美国专利申请序列号14/465,816中所描述的，可以在本发明的实施例中使用的其他靶构造是包括多种x射线生成材料的微观结构、包括x射线生成材料的合金的微观结构、沉积有防扩散层或粘附层的微观结构、具有导热外涂层的微观结构、具有导热和导电外涂层的微观结构、掩埋在基板内的微观结构等。

图5A-5C示出了靶1100-T的示例，该靶包括嵌入在基板1000内的产生x射线的材料711,712...717的一组710微观结构，类似于图4所示的靶。当在真空室内被电子111轰击时，产生x射线的材料会产生x射线888。

对于所示的靶，还存在用于下游形成x射线束的预定出射方向(由射线88-T表示)。该出射方向相对于局部表面以角度θ_T定向。

如图5A-5C所示，定义了预定的一组锥角，这组锥角在出射角θ_T周围居中。沿着锥形的最内侧部分传播的射线相对于出射角θ₁形成角度，而沿着锥形的最外侧部分传播的射线相对于出射角形成角度θ₂。这些锥角通常很小(小于50mrad)，并且出射角通常在0°至6°(0至105mrad)之间，尽管在某些情况下可以使用大到11.5°(～200mrad)的出射角。

图6表示可以在替代实施方式中使用的靶的一部分，该靶具有x射线生成材料的两组微观结构。在这种情况下，如前所述的一组微观结构710包括针对光谱x射线辐射特性选择的任何材料的七个微观结构711-717。

然而，图6的靶还包括第二组微观结构720，第二组微观结构还包括第二预定x射线生成材料的七个微观结构721-727，该第二预定x射线生成材料不同于第一x射线生成材料。通过平移靶或通过移动电子束以使电子111现在轰击第二组微观结构，产生了第二组x射线1888。如图所示，x射线1888以相对于表面为零度的出射角出现，但是可以使用任何非零的出射角。如果第一组710和第二组720的材料不同，则当被选择用于电子轰击时产生的相应的x射线1788和1888也将具有不同的光谱特性。

如图7所示，在阳极靶中也可以使用不同的x射线生成材料的多个固体结构740、750和760。

尽管靶在电子束下的物理平移可以使材料从一种材料“切换”到另一种材料，同时产生与单组x射线光学器件保持对准的射束，但是也可以使用其中电子束简单地从一组材料被引导到另一组材料的其他实施例。这在以下情况下会是有益的：不同的x射线生成材料与不同组的x射线光学器件对准，每组光学器件被调整为匹配每种材料的x射线的辐射光谱。当光学系统的截止能量高于靶材的强特征线时，并且当光学系统被设计为优化所选特征线的反射时，靶材和光学系统可以被视为“匹配”。

4.X射线光学系统

一旦由高亮度x射线源生成了x射线，一部分x射线便可以被光学组件收集以随后被准直和/或聚焦到对象上以测量x射线的吸收和透射。在许多情况下，该光学系统将包括x射线反射器，该x射线反射器收集并聚焦带宽大于感兴趣x射线能量的0.1％的x射线能量。

诸如可以在本文中公开的本发明的实施例中使用的光学组件已经详述于题为“具有高通量和高通量密度的X射线照射器”的美国专利申请(2017年2月14日提交的美国专利申请15/431,786)及其母案申请(2016年9月16日提交的美国专利申请15/269,855并且现在公布为US 9,570,265；以及2014年12月5日提交的美国专利申请14/544,191并且现在公布为US9,449,781)，这些专利申请通过引用的方式连同它们要求权益的临时申请一起全部并入到本文中。

再次参考图1的一般说明，通常，生成的x射线将从x射线源80发散，包括一组一个或多个x射线光学元件的光学组件3000将收集一部分x射线并重定向其传播路径。

光学组件3000可以是具有中空管(例如毛细管)的拓扑结构的简单的单个x射线反射光学元件或者是更复杂的一组x射线光学器件。该光学组件3000可以沿着最亮的照明的轴线对准，使得发散的x射线888的一部分将从内表面反射出来。内表面的曲率可以采取许多几何形式，但是在二次曲面之间发现了用于许多光学元件的非常有用的一组几何形式。对应于椭球、抛物面、双曲面、椭圆柱体、圆柱体和圆锥体(或上述3D形状的2D版本)的一个或多个部分的反射表面轮廓的示例。

对于这里提出的实施例，光学组件产生聚焦的x射线束。在一些实施例中，可以将可选的孔272放置在与焦平面相同的平面上，以减少来自散射的x射线的背景，这有助于改善系统的信噪比。通过将要检查的对象240放置在将被会聚的x射线887照射的地方，在焦平面的远侧上产生透射的发散的x射线波前888-T，并且可以随后由光谱仪对其进行分析。

需注意，以下这些说明各种光学组件的图并不是按比例绘制的，而是为了更清楚地说明工作原理而绘制的。

4.1.椭圆形光学器件

图8A以截面图示出了使用椭圆形式的用于光学组件的可能的光学配置。椭圆形毛细管光学器件具有两个焦点F₁和F₂，使得从一个焦点发出的任何光子都将被反射并会聚到另一个焦点上。

图8A-8B示出了利用这种椭圆形反射器3010的本发明实施例的一部分。x射线源产生进入椭圆形光学元件3010的发散的x射线888。x射线的一部分经历来自管状光学元件3010的内椭圆表面的全外反射，并且变成聚焦的x射线887，聚焦的x射线穿过要检查的对象250并到达焦点。孔部件270中的孔272被放置成与焦平面重合。

图8A示出了通过用电子束111轰击微观结构1700产生的x射线888。尽管x射线888被示为从微观结构1700上的单个点发出，但是x射线可以由微观结构的不同和/或所有部分产生。为了简单起见并且不旨在限制本发明，示出了从图8A和其他图中的单个点发出的x射线。在一些实施例中，如图8A和图8B的相应透视图所示，可以通过射束截捕器1850阻挡轴上x射线。在一些情况下，图8A的系统(以及本文公开的其他系统和构造中)的射束截捕器1850可以位于光学元件3010的入射束侧或其他位置(例如，出口)。

本文描述的系统的光学元件可以包括与一种或多种靶材匹配的一个或多个反射器。可以通过选择具有几何形状、尺寸和表面涂层的光学器件来实现匹配，该光学器件尽可能多地收集来自源并且成一定角度的x射线，该角度满足靶X的感兴趣x射线能量的临界反射角。在某些情况下，匹配是基于最大化感兴趣的x射线能量的光学期间的数值孔径(NA)。光学元件可以被配置为聚焦或准直射束。

应当注意，这里呈现的附图未按比例示出，而是已创建以更好地指出如何制造并使用本发明。

4.2.抛物面光学器件

在某些情况下，光学组件的另一种可能的光学配置使用两个抛物线的形式。抛物线可以具有单个焦点F_p，以便从焦点发射的任何光子都将被反射以形成平行(准直)射束。

图9A-9B示出了利用抛物面反射器3020的本发明实施例的一部分。电子束111以接近零的角度(如图所示)轰击靶1000以提供x射线源或以诸如6度的浅角度。x射线源产生进入第一抛物面光学元件3020的发散的x射线888。x射线的一部分经历来自管状光学元件3020的内抛物面的全反射，并且成为准直的x射线889。

一旦准直后，具有管状拓扑结构和抛物面内表面的第二光学元件3022(如图9A和9B所示)可以与第一光学元件3020的光轴对准，使得准直的x射线889以小于该表面的临界角的角度入射在第二光学元件3022的内表面上。在一些实施例中，该第二光学元件不是单独部件，而是与第一光学元件不同的轮廓处方，并且包含在同一毛细管内。反射的x射线然后变成聚焦的x射线887，聚焦的x射线在穿过要检查的对象240之后会聚到焦点上。可选的孔272被放置在第二光学元件的焦平面处。

尽管图示示出了具有与初始抛物面光学元件3020相同的尺寸和形状的第二抛物面光学元件3022，但是这些不需要具有相同的尺寸，并且可以具有不同的曲率和相对焦点位置。

在一些实施例中，如图9A和图9B的相应透视图所示，可以通过射束截捕器1852阻挡轴上x射线。尽管被示出为位于两个抛物面光学元件之间，但是射束截捕器可以相对于光学元件定位在不同的位置处，包括在第一光学元件3020的入口处或在第二光学元件3022的出口处。

4.3.其他X射线光学器件

其他的x射线光学系统(诸如Wolter I型光学器件、锥形毛细管光学器件、多毛细管光学器件、Kirkpatrick-Baez光学器件、蒙特反射镜等)都可以用作光学组件的部件。也可以使用包括过滤器和附加的射束截捕器等的系统。

上述光学元件可以由任何数量的光学材料制成，包括玻璃、二氧化硅、石英、BK7、硅(Si)、超低膨胀玻璃(ULE^TM)、Zerodur^TM或其他元素材料。

如上所述，用于本发明实施例中的各种光学元件的反射涂层可以是单一元素材料，以利用小于临界角的入射角的全外反射，并且优选地可以涂上至少25纳米厚一层高质量密度的材料(大于2.5g/cm³)。诸如金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)等的材料可用作这些光学元件的单一材料涂层。

反射涂层也可以是具有两种或更多种材料的交替周期层的多层涂层，多层涂层对于某些x射线波长在反射中提供相长干涉。反射效率取决于x射线的波长和入射角以及交替层的厚度，因此，它作为宽带反射器的用途受到限制，但如果需要窄的能带，则可以使用它。可以用于多层反射器的组合是钨/碳(W/C)、钨/硅(W/Si)、钨/硅化钨(W/WSi₂))、钼/硅(Mo/Si)、镍/碳(Ni/C)、铬/钪(Cr/Sc)、镧/碳化硼(La/B₄C)、钨/碳化硼(W/B₄C)和钽/硅(Ta/Si)等。该表面也可以是包含几种材料的合金或混合物的复合涂层。

可以使用其他x射线光学元件，诸如菲涅耳波带片、圆柱沃尔特光学器件、沃尔特II型或III型光学器件、史瓦西光学器件、衍射光栅、使用布拉格衍射的晶体镜、孔阵列透镜、多棱镜或“短吻鳄(alligator)”透镜、滚动x射线棱镜透镜、“龙虾眼(lobster eye)”光学器件、微通道板光学器件，或将其与已经描述的这些进行组合以形成用于本发明的实施例的复合光学系统，该复合光学系统以本领域技术人员已知的特定方式来引导x射线。

5.光谱仪和检测器

5.1.基本光谱仪

图10-12示出了可以在本发明的一些实施例中使用的光谱仪系统的元件的示意性剖视图和透视图。在图10中，包括基板1000和x射线生成材料1700的x射线靶1100在真空中被电子111轰击。如图所示，x射线888以相对于表面的非零出射角出现。

从x射线源发散的x射线888穿过真空室中的窗口40，并且被光学组件收集。在图10-12的示例中，光学组件包括单个毛细管光学器件3010和射束截捕器1854。单个光学器件3010具有内部椭圆体表面，该内部椭圆体表面以近掠射角反射x射线并使它们聚焦到焦点上。具有孔部件270的可选孔272在焦点处重合。要检查的对象240位于孔部件270之前，并且穿过孔272的x射线是已经透射过对象240的x射线。

孔272通常将是直径与由x射线光学组件产生的焦点的尺寸相当的小孔。在本发明的一些实施例中，通常孔径为5至25微米。在本发明的一些实施例中，孔可以包括通常水平地(即，在平行于纵分平面的方向上)定向的狭缝。孔部件本身可以包括一片金属(例如钼或铂)，该金属的厚度小于光学系统的聚焦深度(例如大约20微米厚)。

在孔部件270的远侧，x射线从焦点出发作为发散的x射线888-T。几何形状通常是聚焦透镜3010定义的x射线环。如图所示，孔272用作进入光谱仪3700的x射线的起点。还可以在光谱仪内使用附加孔，诸如在检测器前面。

在光谱仪的一些实施例中，它是本领域中已知的并行检测光谱仪(参见“DBWittry，‘微量分析中的x射线晶体光谱仪和单色仪’Microsc.Microanal.7,124-1412001”)。在这种光谱仪中，x射线888-T的发散环形圆锥将落在衍射分析仪晶体3710的表面上，衍射分析仪晶体将不同波长λ₁、λ₂、λ₃、λ₄等的x射线(分别显示为射线束887-A、887-B、887-C和887-D等)衍射到具有传感器传感器294的位置敏感检测器290上的不同点。如图10所示，如图11更详细地所示，晶体分析仪将用作布拉格衍射元件。未衍射的x射线899通常透射通过晶体分析仪，并且可以被射束截捕器(未示出)吸收。

晶体分析仪3700可以定位成距孔272约250mm，并且通常将具有约2cm的宽度以及约5cm的长度，但是可以使用其他尺寸。晶体分析仪3700可以包括单个平面布拉格晶体，但是实际上，分析仪晶体也可以包括在矢状方向上弯曲的薄晶体。这允许在垂直于传播方向的方向上发散的x射线被收集并聚焦在检测器290上，同时允许x射线沿着传播方向被波长衍射。这种取向有时被称为von Hamos光谱仪。在一些实施方式中，晶体可以是双重弯曲的。对于一些实施方式中，可以使用50到200毫米之间的弯曲半径。在其他实施方式中，并行检测光谱仪可以具有已经由Schnopper、Birks、Henke、Zaluzec、Fiori等提出的几何形状和设计。

诸如由单晶硅薄晶圆制成的弯曲晶体分析仪(例如，沿着111或220平面与表面对准)可以用于本发明的一些实施例。单晶硅分析仪可以生长在弯曲的基板上，也可以从先前生长的硅晶圆上减薄并弯曲。

也可以使用包含石墨的晶体分析仪，特别是那些包含沿002平面对准的石墨层的晶体分析仪，例如高取向热解石墨(HOPG)或高退火热解石墨(HAPG)。在某些情况下，晶体可以包括HOPG(002)和HAPG(002)。在一些实施例中，在弯曲的基板上生长厚度为15至200微米的石墨层。

由于发散椎体在晶体分析仪上具有多种入射角，因此可以实现分散，并且因此对于至少一些入射角，可以反射指定x射线带宽内的特定能量的x射线。然而，相同入射角的所有其他波长都不会衍射，并且只会通过晶体分析仪，如图11和12中的透射x射线899所示。

图12示出在一些实施例中使用的光谱仪的几何形状。光谱仪3730使用镶嵌晶体3733形式的晶体分析仪。在镶嵌晶体3733中，晶体分析仪包括在整个材料中具有不同角度的微晶体的集合，每个微晶体都小到几百纳米或大到几微米，并且通过通常由金属制成的背衬3734固定。在一些情况下，镶嵌晶体可以至少在矢状非分散方向上弯曲。未被表面的微晶衍射的透射x射线可能仍会从镶嵌中较深的另一个微晶衍射。

x射线的起源(x射线光学器件的焦点)、衍射晶体以及检测器上的会聚点对于相应的波长都沿着罗兰圆(Rowland Circle)808-A和808-D落下。尽管镶嵌晶体中还存在其他微晶体，但是只有那些沿着罗兰圆且具有正确方向的微晶体会衍射x射线以会聚到检测器290的相同位置。分布在整个发散射束888-T中的不同波长的x射线更有可能遇到正确定位和定向的微晶。镶嵌晶体的使用可以收集到单晶衍射元件能够产生的x射线量的多达100倍。需注意，，尽管具有“随机”取向的微晶被示出以生动地说明镶嵌不均匀性，但大多数镶嵌晶体将更加对准。

图13A示出了基于罗兰圆几何形状的光谱仪设计，该光谱仪设计具有弯曲成Johansson几何形状的晶体。在某些情况下，晶体可以弯曲成Johann几何形状。晶体可以单独弯曲-即仅在分散平面弯曲，而在矢状(或垂直)平面平坦。在其他情况下，晶体可以是双重弯曲的，即在分散平面和矢状平面都弯曲。这种双重弯曲的晶体的示例包括但不限于球形Johann晶体、Toroidal Johann晶体、球形Johansson和Wittry晶体。如图所示，样品1000后面的表观源272朝着Johansson晶体3710发射x射线。表观源通常是由从实验室x射线源产生的穿孔或聚焦的x射线束与先前描述的光学系统结合产生的，或者在某些情况下是通过在电子显微镜中电子轰击样品产生的。在一些情况下，聚焦的x射线束的焦点与样品重合-在其他情况下，焦点在样品1000的后面并且与孔(未示出)重合。x射线透射穿过样品并且朝着Johansson晶体3710传播，Johansson晶体将x射线聚焦到空间分辨检测器293。在罗兰圆内的表观源272的放置被称为罗兰圆外几何形状。

在一些其他实施方式中，如图13B所示，可以将样品1000放置在罗兰圆上。可以将源80置于距罗兰圆更远的位置，并将x射线引导到样品1000，其中可选的x射线光学器件被放置在在x射线源80和样品1000之间。需注意，样品1000还可以被放置在聚焦光学系统的焦点稍前面(如果采用的话)。样品充当x射线的表观源，并且晶体3710分散x射线。x射线检测器293同时检测由晶体3710散射的在一定角度范围内的所有x射线。图13A和13B所示的实施方式有时被称为并行检测。

在一些其他实施方式中，如图13C所示，有时被称为串行检测或扫描几何形状，表观源272位于罗兰圆上，并将x射线888引导到Johann晶体3710，Johann晶体收集x射线并将x射线887聚焦在位于罗兰圆上的样品1000上。x射线检测器293在样品的后面，以收集透射穿过样品的所有x射线。x射线检测器293可以是点检测器，诸如但不限于硅漂移检测器、气态比例计数器、固态检测器等。在这样的实施方式中，仅针对单个x射线波长(或x射线的极窄带宽)而不是针对并行检测x射线光谱仪的情况下的多个波长来优化检测效率。x射线原点、晶体和检测器的相对准直以及罗兰圆(例如直径)的参数可以通过一个或多个部件的运动而改变。

在获得x射线吸收近边缘光谱分析(XANES)比扩展的x射线吸收精细结构(EXAFS)更重要的一些实施例中，这是优选的。需注意，XANES被视为前边缘和边缘信息，而EXAFS位于吸收边缘上并且尽管没有明确的原则定义来区分这两个系统，一般准则将XANES机制定位在电位距边缘数十eV(例如50eV)以内的范围内，并且EXAFS是电位从边缘上方20-50eV处开始的位置，通常在边缘上方延伸高达1keV。

在一些实施例中，样品可以是可能太厚以至于感兴趣的能量的x射线无法透射通过样品的存在于基板上的薄膜或结构。在这样的实施例中，反射几何形状可能是优选的。x射线通常以非常浅的入射角入射在样品上，入射角通常小于几度以满足在膜/基板和/或结构/基板界面处的全反射的条件。x射线穿透感兴趣的膜或结构，但是在膜/基板或结构/基板的界面处反射，并且从与入射束相同的样品一侧出现。这避免了x射线穿过样品的透射不足的问题。需注意，此几何形状可用于XANES和EXAFS。

5.2.多晶光谱仪

在本发明的一些实施例中，光谱仪可以针对x射线吸收光谱分析获取的不同方案使用不同的晶体类型。在一些实施例中，光谱仪使用至少两种不同的晶体类型：其中至少一种是单晶，并且至少一种是镶嵌晶体。在一些实施例中，单晶可以是被对准以测量感兴趣的x射线波长的片状晶体。在优选的实施例中，晶体沿切向弯曲(例如，Johann、Johannsson)。

单晶和x射线检测器(通常被称为“单晶光谱仪”)用于获取XANES信息。x射线的表观源、晶体和检测器应对准使得表观源在罗兰圆上或在罗兰圆内。通过孔或通过使用x射线光学组件直接聚焦在样品上的照射来获得表观样品点。罗兰圆是一种圆形几何形状，其中样品上的x射线的表观源、晶体和检测器可以被放置成使得光谱线被聚焦在检测器上。在一些实施例中，如果x射线的表观源被放置在罗兰圆内，则可以沿检测器分散多个x射线能量，并且可以使用具有能量分散能力的x射线检测器。在一些实施例中，这可以是具有足够快的读出速度的CCD检测器。在其他实施例中，这可以是能量分散阵列检测器。在一些实施例中，如果x射线的表观源被放置在罗兰圆上，则检测器接收到窄范围的波长。

在这些实施方式的子集中，可以通过将单晶放置在罗兰圆上而将晶体用于串行检测。在这些实施方式的其他子集中，可以通过将x射线的表观源放置在罗兰圆(罗兰外几何形状)内而将单晶用于并行检测。一旦获得XANES光谱，就可以通过从射束中去除样品而获取的直接射束光谱对其进行归一化。所使用的单晶可以包括Si(111)、Si(220)、Si(400)、Ge(111)、Ge(220)、Ge(400)和Ge(620)。

镶嵌晶体和至少一个空间分辨x射线检测器(被称为“镶嵌晶体光谱仪”)用于获取EXAFS信息。在一些实施例中，镶嵌晶体在矢状方向上是弯曲的，并且表观源、镶嵌晶体和检测器以平行的检测器几何形状对准。然后，该系统可以与另一组晶体(诸如HOPG晶体)一起使用，以将x射线聚焦在并行检测几何形状(诸如von Hamos)中的空间分辨检测器上，以便获取EXAFS光谱。不同组的晶体可以被定为在适合于在空间分辨检测器处聚焦x射线的位置。在某些情况下，晶体可以是可互换的并使用机电机构定位，或者可以固定，因为源被定位以在当前选定的晶体处提供x射线。在获取EXAFS光谱之后，可以通过从射束中除去样品来获取直接射束光谱来执行归一化。

XANES和EXAFS数据可以通过光谱处理机制进行处理，例如可以通过信号处理电子器件292和分析系统295来实施光谱处理机制。对于XANES和EXAFS光谱来说，在100到200eV的能量范围内(包括吸收边缘能量)获得光谱是很常见的，但是XANES光谱是在更高的能量分辨率下获得的。通过使用在若干个领域(诸如光谱分析、成像等)中已知的技术进行适当的覆盖、归一化、相关性、缝合和处理，可以用XANES光谱代替EXAFS光谱的近边缘部分，导致XANES和EXAFS光谱以独特的方式组合在一起以提供完整的XAS光谱，而没有丢失信息。XANES光谱(例如通过单晶光谱仪)和EXAFS光谱(例如通过镶嵌晶体光谱仪)的处理产生了x射线吸收光谱数据，其中以更高的光谱分辨率光谱细化最接近吸收边缘的光谱。这种独特的方法提供了完整且更精细的XAS分析。

在一些实施例中，两个光谱仪设计或单个光谱仪能够在以上方法中使用。

图13D示出了使用弯曲晶体分析仪的系统的示意性透视图，该弯曲晶体分析仪沿着一个轴线分布光谱，同时将x射线聚焦在另一个(矢状)轴线上。如前所述，应当清楚的是这里呈现的附图未按比例示出，而是已创建以更好地指出如何制造并使用本发明。

有关晶体或多层反射器的更多信息，请参阅James H.Underwood的x射线数据手册的第4.1节“多层和晶体”，可以从以下位置下载：xdb.lbl.gov/Section4/Sec_4-l.pdf。

5.3.检测器

在使用波长色散几何形状的实施例中，检测器可以是任何x射线计数检测器。

在其中使用空间分辨检测器的实施例中，空间分辨检测器290可以包括2D或1D阵列传感器294。在2D阵列的一些实施例中，一个轴线可以明显长于另一个轴线。可以使用2048×256像素的阵列，尽管沿着长轴(分散方向)具有至少128个像素的检测器可能是优选的。在这样的实施例中，优选的是，长轴将沿着x射线传播的方向对准，并且将沿着该轴发生x射线的波长分散。短轴将与矢状方向对准。在具有完美矢状焦点的完美系统中，可以使用1像素宽的一维阵列检测器，但实际上，衍射的x射线可能无法形成完美的光斑，因此使用多个像素进行检测可以提供更高的收集效率。

空间分辨检测器290可以是多个x射线阵列检测器中的任何一个，诸如CCD阵列(x射线传感器)、CMOS或S-CMOS检测器、平板传感器或本领域中已知的将x射线强度转换为电子信号的任何一个或多个位置敏感x射线阵列检测器，包括一维线和二维阵列检测器。位置敏感检测器的此类示例包括线性检测器、位置敏感阵列检测器、pin二极管、比例计数器、光谱仪、光电二极管检测器、闪烁体型和充气阵列检测器等。在一些实施例中，检测器可以包括检测x射线的任何类型的一个或多个检测器元件，包括比例和雪崩检测器或能量分散元件。

在本发明的其他实施例中也可以使用其他检测器变型。例如，可以在对象和检测器之间使用附加的光谱过滤器以选择从对象射出的x射线的特定部分以供检测。这在以下情况下会特别有用：存在来自对象的大量x射线荧光，这些x射线荧光会干扰由透射的x射线生成的信号。可替代地，可以包括第二检测器以检测入射x射线的强度，从而允许标准化在入射x射线强度中具有任何变化的发射信号。

也可以使用能量分辨像素阵列检测器。在这些检测器中，每个像素还提供有关检测到的x射线能量的信息，并且当对象产生明显的荧光时可能特别有用。硅PIN光电二极管(Si-PIN)是一种简单且低成本类别的EDS光谱仪，该EDS光谱仪通常在能量分辨率方面性能最低。能量分辨像素阵列光谱仪是可用的并且可以在本发明的一些实施例中使用。另一类型的检测器被称为像素阵列微热量计光谱仪。在某些情况下，具有足够快的读出速度的CCD检测器用作能量分辨检测器。

额外的配置可以涉及在检测器优先衰减一些不想要的x射线以免到达光谱仪之前沿着射束路径的附加过滤器(例如，包含合适元件的薄箔)，从而由于检测从对象散射的x射线而减少背景或减少通过光谱仪进入的总x射线以避免饱和。相同类型或两种或多种类型组合的多个光谱仪可以同时使用或是互换的以分别或共同利用它们各自的强度。

在一些实施例中，孔或狭缝部件可以被放置在检测器之前。本领域技术人员可以知道用于x射线荧光的其他检测器几何形状和布置。有关x射线检测器的更多信息，请参见Albert C.Thompson的x射线数据手册第4.5节“x射线检测器”，可以从以下网站下载：xdb.lbl.gov/Section4/Sec_4-5.pdf。

5.4.选项和多功能性

图14提供了具有内置于系统中的多种选择的光谱仪系统的示意图。

靶1102包括基板1002和两种(或更多种)不同类型的x射线生成材料1702和1704。固定有靶材的安装座34不仅连接到电引线32，而且还具有控制器36，该控制器允许在横向方向上物理运动以选择要被电子111轰击的材料。

图14的系统还具有被支撑在安装座3016中的多个不同的光学组件3010-A、3010-B和3010-C，该安装座允许这组光学组件横向移动以允许使任何光学组件(内部可以使用不同的材料涂层和过滤器以允许不同的x射线带宽)与任何x射线生成靶1702、1704等对准。如图所示，最右边的x射线生成材料1704被电子轰击，最左边的光学组件3010-A被定位成收集透射通过窗口40的x射线。提供用于x射线光学系统运动的安装架允许选择哪个x射线光学系统将从x射线源收集x射线。

如前所述，从光学组件发出的会聚x射线887被聚焦在孔部件270中的孔272上，并且也穿过要研究的对象240。从孔272发散的所得x射线成为由光谱仪3700衍射的x射线的表观源。

然而，孔部件270可以具有多个开口，诸如具有不同尺寸的圆形孔272和274，或者具有不同尺寸的狭缝275和277。

如前所述，光谱仪3731包括镶嵌分析仪晶体3733，该镶嵌分析仪晶体将x射线分散到检测器290的x射线传感器294上。然而，在波长范围不足以单次跨越整个光谱的情况下，该光谱仪3731还包括安装座3740，该安装座允许分析仪晶体3710绕垂直于x射线传播方向的轴线旋转。这允许使用单个检测器测量更大范围的x射线分散。

这样的多源/多光学系统可以用于收集一系列频带(例如，用于不同的1keV频带的组合)的x射线光谱。晶体围绕轴线的旋转可能会扩大从同一源/光学组合收集的能量范围。

在其他变型中，可以使用具有各种射束截捕器的光学组件。射束截捕器可以定位在光学组件的入口处，在光学组件的光学元件的出口处或光学组件的元件之间。在具有单个聚光镜的一些实施例中，在聚光镜的入口侧和出口侧都可存在截捕器，出口侧截捕器约为入口侧截捕器尺寸的2/3。这些光阑都将阻挡直通射束，并且此外，出口截捕器还将阻挡大部分来自聚光镜的任何散射x射线。这提供了干净反射的x射线束。

在其他变型中，可以使用多个屏蔽元件来阻挡或减少不需要的x射线被检测到。在一些变型中，x射线荧光检测器用于监测入射的x射线和/或监测样品的元素组成。在其他变型中，整个系统(而不仅仅是x射线源)可以被封闭在真空室内，从而消除了对存在窗口40以在x射线源周围维持真空的需求。同样，可以用氦气冲洗光学组件和光谱仪以减少系统中的散射。

在某些变型中，样品相对于光谱仪移动以执行XAS信息的2D映射或3D断层扫描。

5.4.方法

图15示出了使用多晶体来高效获得x射线吸收光谱分析信息的方法。在步骤1510，在预定样品内选择感兴趣的元素。在一些情况下，可以响应于接收来自用户的输入而由x射线吸收光谱仪(XAS)系统选择元素。然后在步骤1520可以识别感兴趣的吸收边缘x射线能量。在一些情况下，吸收边缘可以由本系统响应于由本系统接收的用户输入来识别。

在步骤1530，可以使用具有包括吸收边缘能量在内的x射线带宽的x射线束来照射样品。x射线束可以由微焦点x射线源或其他源提供。吸收边缘可以用于预定样品内的感兴趣元素。

在步骤1540，使用单晶光谱仪获取第一吸收光谱作为XANES数据。对于接近并且包括所选吸收边缘的x射线能量的带宽，可以以大于例如3eV的高光谱分辨率来获取吸收光谱。

在步骤1550，使用镶嵌晶体光谱仪获取第二吸收光谱作为EXAFS数据。与使用单晶光谱仪获得的XANES数据吸收光谱相比，EXAFS数据可以具有更粗的光谱分辨率。对于比单晶光谱仪获取的x射线的带宽宽的x射线能量的带宽，获取第二光谱。吸收光谱可以包括吸收边缘，使得使用镶嵌晶体光谱仪获取的吸收光谱数据至少包含扩展的x射线吸收精细结构(EXAFS)数据。

在步骤1560，可以处理所获取的XANES光谱数据和EXAFS光谱数据以产生x射线吸收光谱分析数据。利用单晶光谱仪获得的更高光谱分辨率的光谱对最接近吸收边缘的所产生的x射线吸收光谱数据进行细化。

在一些实施例中，通过单晶光谱仪(作为XANES)或镶嵌晶体光谱仪(作为EXAFS)将获取唯一一个吸收光谱。将结果与标准库进行比较，以作为细化分析的“指纹”。

6.限制和扩展

对于本申请，已经公开了本发明的若干个实施例，包括发明人所考虑的最佳模式。应当理解，尽管可以呈现特定实施例，但是仅针对一些实施例详细讨论的要素也可以应用于其他实施例。此外，在现有技术中被描述的细节和各种元件还可以被应用到本发明的各种实施例。

尽管已经阐述了特定的材料、设计、构造和制造步骤来描述本发明和优选实施例，但是这种描述并不旨在是限制性的。修改和改变对本领域技术人员而言是显而易见的，并且其旨在本发明仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (20)

1.一种用于执行x射线吸收光谱分析的方法，包括：

使用x射线束照射预定样品，所述x射线束具有大于0.1％的能量带宽并且包括与要检查的对象内的感兴趣元素的吸收边缘相对应的能量；

在所述吸收边缘附近且包括所述吸收边缘的能量带宽上使用单晶光谱仪以优于3eV的能量分辨率获取x射线吸收光谱，所述x射线吸收光谱包含x射线吸收近边缘结构(XANES)光谱的至少一部分；

以比使用所述单晶光谱仪获取的能量分辨率更粗的能量分辨率并且在比由所述单晶光谱仪获取的x射线能量带宽更宽且包括所述吸收边缘的能量带宽上使用镶嵌晶体光谱仪获取x射线吸收光谱，使得使用所述镶嵌晶体光谱仪获取的吸收光谱包含至少扩展的x射线吸收精细结构(EXAFS)数据；以及

处理从所述单晶光谱仪和所述镶嵌晶体光谱仪获取的光谱以产生x射线吸收光谱，其中，利用前一光谱细化与前一光谱相对应的能量带宽内的后一光谱。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括使用至少一个毛细管反射性x射线聚焦光学器件将所述x射线束聚焦在预定对象上，其中，经聚焦的x射线束具有包括所述吸收边缘的能量带宽，并且包含能量比所述吸收边缘高100eV的x射线。

3.根据权利要求1所述的方法，使用具有至少在分散平面中弯曲的单晶分析仪的单晶光谱仪。

4.根据权利要求3所述的方法，使用具有弯曲单晶的所述单晶光谱仪以利用空间分辨检测器来收集罗兰圆外几何形状中的高分辨率x射线光谱。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在所述对象内选择感兴趣的元素；以及

识别所述元素的吸收边缘x射线能量，以用于执行x射线吸收光谱分析测量。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，使用单晶光谱仪以优于3eV的能量分辨率获取x射线吸收光谱包括：以优于3eV的能量分辨率获取x射线吸收光谱；使用包括在罗兰圆外几何形状中配置的弯曲单晶的单晶光谱仪，使得x射线根据布拉格方程被分散在分散平面中；以及使用空间分辨x射线检测器记录分散的x射线。

7.根据权利要求1所述的方法，使用镶嵌晶体光谱仪以比使用所述单晶光谱仪获取的能量分辨率粗的能量分辨率获取x射线吸收光谱，所述镶嵌晶体光谱仪包括至少在所述分散的矢状方向上弯曲的镶嵌晶体分析仪和空间分辨x射线检测器，

并且收集由所述晶体分析仪分散并由Von Hamos几何形状的空间分辨检测器记录的x射线光谱。

8.一种用于执行x射线吸收光谱分析的系统，包括：

微焦点x射线源；

用于要检查的对象的安装座；

至少一个聚焦x射线光学器件，所述至少一个聚焦x射线光学器件从所述微聚焦x射线源收集x射线，所述x射线的能量带宽大于与所述对象中元素的吸收边缘相对应的x射线能量的0.1％且包括与所述对象中的感兴趣元素的吸收边缘相对应的x射线能量，并且所述至少一个聚焦x射线光学器件使收集的x射线的一部分聚焦到焦点尺寸小于500微米的焦点上，

具有能量分辨率的至少一个单晶光谱仪包括：

至少在分散方向上弯曲的至少一个单晶分析仪，

至少一个空间分辨x射线检测器；

并且其中，所述焦点、所述单晶分析仪和所述空间分辨x射线检测器可以被置于罗兰圆外几何形状，

并且以优于3eV的能量分辨率记录随x射线的能量而变化的、穿过所述对象传输的x射线吸收光谱。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，至少一个聚焦x射线光学器件是毛细管x射线光学器件，所述毛细管x射线光学器件具有的内部反射表面轮廓的至少一部分被成形为二次曲面的一部分的形式。

10.根据权利要求8所述的系统，其中，至少一个聚焦x射线光学器件的反射表面包括多层涂层。

11.根据权利要求8所述的x射线吸收光谱分析系统，其中，所述微焦点x射线源是基于电子轰击的x射线源，并且包括多于一种的x射线靶材，并且还包括用于改变所述x射线靶与电子束的相对位置的机构。

12.一种用于执行x射线吸收光谱分析的系统，包括：

微焦点x射线源；

用于要检查的对象的安装座；

至少一个聚焦x射线光学器件，所述至少一个聚焦x射线光学器件使所收集的x射线的一部分聚焦到焦点尺寸小于500微米的焦点上，

至少一个空间分辨x射线检测器，

至少在分散方向上弯曲的至少一个单晶分析仪，

至少在矢状方向上弯曲的至少一个镶嵌晶体，

至少一个空间分辨检测器，

用于将所述焦点、弯曲的单晶分析仪和x射线检测器定位在罗兰圆外几何形状中以进行并行检测的装置，

用于将所述焦点、弯曲的镶嵌晶体分析仪和空间分辨x射线检测器定位在Von Hamos几何形状中的装置，

处理系统，所述处理系统使利用所述单晶分析仪获得的x射线吸收光谱归一化并且使其与利用所述镶嵌晶体分析仪获得的x射线吸收光谱对准以产生新的x射线吸收光谱，在所述新的x射线吸收光谱中，利用前一光谱细化与前一光谱相对应的能量带宽内的后一光谱。

13.根据权利要求12所述的x射线吸收光谱分析系统，其中，所述焦点、弯曲的单晶分析仪和x射线检测器的所述罗兰圆外几何形状圆形定位使得随x射线能量变化而收集的x射线吸收光谱同时在10eV至100eV的能量带宽上具有优于3eV的能量分辨率。

14.根据权利要求12所述的x射线吸收光谱分析系统，其中，所述焦点、镶嵌晶体分析仪和空间分辨x射线检测器的von Hamos几何形状定位使得随x射线能量变化而收集的x射线吸收光谱同时在100eV的能量带宽上具有比3eV更粗的能量分辨率。

15.权利要求12所述的x射线吸收光谱分析系统，其中，所述至少一个光学器件收集来自所述微焦点x射线源的x射线，所述x射线具有的能量带宽大于与预定的感兴趣元素的吸收边缘对应的x射线能量的0.1％并且包括与感兴趣元素的所述吸收边缘对应的x射线能量。

16.根据权利要求15所述的x射线吸收光谱分析系统，其中，所述一个聚焦x射线光学器件是毛细管x射线光学器件，所述毛细管x射线光学器件具有的内部反射表面轮廓的至少一部分被成形为二次曲面的一部分的形式。

17.根据权利要求16所述的x射线吸收光谱分析系统，其中，所述内部反射表面涂有原子数大于26的材料，并且对于所述表面的一部分是轴向对称的。

18.根据权利要求15所述的x射线吸收光谱分析系统，还包括位于所述聚焦x射线光学器件的焦点处或附近的孔径部件。

19.根据权利要求12所述的x射线吸收光谱分析系统，其中，所述微焦点x射线源是电子轰击源，并且包括多于一种的x射线靶材，并且还包括用于改变所述x射线靶与电子束的相对位置的机构。

20.根据权利要求12所述的x射线吸收光谱分析系统，其中，用于将所述焦点、单晶分析仪和空间分辨x射线检测器定位在罗兰圆外几何形状中的装置还包括用于改变所述焦点和所述单晶分析仪之间的距离以选择要测量的光谱的能量带宽的装置。