CN110808112B - Talbot-lau x射线源和干涉测量系统 - Google Patents

Talbot-lau x射线源和干涉测量系统 Download PDF

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Abstract

本公开涉及TALBOT‑LAU X射线源和干涉测量系统。提供了一种x射线源，以及采用该x射线源的x射线干涉测量系统。x射线源包括靶，所述靶包括衬底和多个结构。衬底包括导热的第一材料和第一表面。多个结构位于第一表面的至少一部分上或嵌入在第一表面的至少一部分中。结构彼此分开并与衬底热连通。结构包括与第一材料不同的至少一种第二材料，该至少一种第二材料被配置为在由具有0.5keV至160keV的能量范围内的能量的电子照射时生成x射线。x射线源还包括电子源，其被配置为生成电子，并且引导电子以撞击靶并且沿着相对于第一表面的该部分的表面法线的非零角度处的方向照射至少一些结构。

Description

TALBOT-LAU X射线源和干涉测量系统
优先权声明
本申请要求于2018年8月6日递交的美国临时申请No.62/715,164的优先权的权益，该临时申请的整体通过引用结合于此。
技术领域
本申请总体涉及x射线源。
背景技术
实验室x射线源通常用电子轰击金属靶(target)，这些电子的减速产生从零到电子动能的所有能量的Bremsstrahlung x射线。此外，金属靶通过在靶原子的内核电子轨道中创建空穴来产生x射线，这些空穴然后由结合能低于内核电子轨道的靶的电子填充，伴随生成具有目标原子特征的能量的x射线。照射靶的电子的大部分功率被转换成热量(例如，约60％)以及反向散射电子和/或反射电子(例如，约39％)，仅有约1％的入射功率被转换成x射线。由于该热量而导致的x射线靶的熔化可能是x射线源可以实现的最终亮度(例如，每立体弧度每面积每秒的光子数)的限制因素。
发明内容
本文描述的某些实施例提供了包括靶的x射线源，所述靶包括衬底和多个结构。衬底包括导热的第一材料和第一表面。多个结构位于第一表面的至少一部分上或嵌入在第一表面的至少一部分中。结构彼此分开并与衬底热连通。结构包括与第一材料不同的至少一种第二材料，该至少一种第二材料被配置为在由具有0.5keV至160keV的能量范围内的能量的电子照射时生成x射线。x射线源还包括电子源，其被配置为生成电子，并且引导电子以撞击靶并且沿着相对于第一表面的该部分的表面法线的非零角度处的方向照射至少一些结构。电子的角度和动能被配置为使得至少一些电子在靶内具有足以穿透第一表面并照射至少两个结构的电子穿透深度。
附图说明
图1A和图1B示意性地示出了根据本文描述的某些实施例的示例x射线源的一部分的截面图。
图1C示意性地示出了根据本文描述的某些实施例的示例x射线源的一部分的截面图，其中，至少一个光学元件包括靶。
图2A-2C示意性地示出了根据本文描述的某些实施例的被配置为改善来自靶的x射线分布的示例靶。
图3A-3C示出了根据本文描述的某些实施例的撞击在靶的第一表面上的30keV的电子束的模拟计算的结果。
具体实施方式
本文描述的某些实施例有利地提供了微图案化x射线束，其被配置为在采用Talbot-Lau干涉测量配置(例如，Talbot x射线显微镜)的成像系统中使用。这种Talbot-Lau成像系统的示例包括但不限于：医学成像系统，例如，放射线照相术、断层合成(例如，用于有限角度断层扫描以检测癌性乳房组织)、计算机断层扫描(CT)(例如，全断层扫描)、基于吸收的x射线显微镜，其中，感兴趣的目标特征和探测器被放置在同一Talbot边缘、以及x射线剂量敏感应用，例如，儿科x射线成像和定期预定乳房x射线照相；塑料和聚合物共混物的分析(例如，聚合物共混物结构的三维可视化)；具有低原子序数的元素的两种或更多种材料之间的界面的成像/断层摄影，例如，软组织中的植入物(例如，真皮填充物)和处于水合环境中的样本。
可以使用根据本文描述的某些实施例的x射线源的Talbot-Lau成像系统的各种配置在美国专利号9,719,947、9,874,531、10,349,908和10,352,880以及美国专利申请公开号2015/0117599A1和2016/0320320A1中有所公开，以上美国专利和美国专利申请以其整体并入本文。
图1A和图1B示意性地示出了根据本文描述的某些实施例的示例x射线源10的一部分的截面图。源10包括靶20和电子源30。靶20包括衬底22，衬底22包括导热的第一材料和第一表面24。衬底22还包括在第一表面24的至少一部分上或嵌入在第一表面24的至少一部分中的多个结构26。结构26彼此分开并与衬底22热连通。结构26包括至少一种不同于第一材料的第二材料，并且至少一种第二材料被配置为在由具有0.5keV至160keV的能量范围内的能量的电子照射时产生x射线。电子源30被配置为产生电子32并引导电子32来撞击靶20，并沿着相对于第一表面24的该部分的表面法线28的非零角度处的第一方向34照射至少一些结构26。电子32的角度和动能被配置为使得至少一些电子32在靶20内具有足以穿透第一表面24并照射至少两个结构26的电子穿透深度。在某些实施例中，x射线源10还包括至少一个光学元件40(例如，包括靶20的x射线窗口)。该至少一个光学元件40可以被定位为使得至少一些x射线50被传输到或穿过至少一个光学元件40(例如，至少一些x射线50被传输穿过第一材料或穿过至少一个光学元件40)。
根据本文描述的某些实施例的靶20、衬底22和多个结构26的各种配置在美国专利号9,719,947、9,874,531、10,349,908和10,352,880以及美国专利申请公开号2015/0117599A1和2016/0320320A1中有所公开，以上美国专利和美国专利申请以其整体并入本文。
在某些实施例中，衬底22包括主体(例如，晶圆；板、薄片)，其包括导热的第一材料(例如，具有以下范围内的导热率：20W/m-K和2500W/m-K之间；150W/m-K和2500W/m-K之间；200W/m-K和2500W/m-K之间；和/或2000W/m-K K和2500W/m-K之间)，并且包括原子序数小于或等于14的元素。例如，第一材料可包括下列项中的至少一项：金刚石、铍和蓝宝石。在某些其他实施例中，第一材料可包括下列项中的至少一项：铜、掺杂石墨、金属合金、金属复合物、石墨、类金刚石碳、硅、氮化硼和碳化硅。在某些实施例中，衬底22的主体包括第一表面24和第二表面25，并且第二表面25与第一表面24相对(例如，如图1A和图1B中示意性所示)。某些实施例的第二表面25通常平行于第一表面24(例如，如图1A和图1B中示意性所示)，而在某些其他实施例中，第一表面24和第二表面25不彼此平行。例如，第二表面25可以处于相对于第一表面24的非零角度处，该非零角度在大于零且小于15度的范围内、或者在15度至45度的范围内。
某些实施例的衬底22是平面的并且具有基本平坦的第一表面24和基本平坦的第二表面25(例如，如图1A和图1B中示意性所示)，而在某些其他实施例中，衬底22是非平面的和/或第一表面24和第二表面25中的至少一个是弯曲的、阶梯状的、或以其他方式偏离平坦的。尽管图1A和图1B示意性地示出了其中表面法线28跨第一表面24均匀(例如，第一表面24的不同子部分具有彼此平行并且彼此指向同一方向的表面法线)的示例衬底22，但表面法线28跨第一表面24可以是不均匀的(例如，第一表面24的不同子部分具有不平行并且彼此指向不同方向的表面法线)。
在某些实施例中，衬底22具有以下范围内的厚度T(例如，在第一表面24和第二表面25之间)：100微米至250微米、250微米至3000微米、250微米至1000微米、或小于1000微米。某些实施例的衬底22的厚度T跨衬底22是均匀的，而在其他某些实施例中，衬底22的厚度在衬底22的不同部分中是不同的。
在某些实施例中，结构26的至少一种第二材料被选择为在由具有0.5keV至160keV的能量范围内的能量的电子照射时产生具有预定能谱(例如，x射线强度分布作为x射线能量的函数)的x射线。该至少一种第二材料的示例包括但不限于下列项中的至少一项：钨、金、钼、铬、铜、铝、铑、铂、铱、钴、钽、钛、铼、碳化硅、碳化钽、碳化钛、碳化硼，以及包括其中一项或多项的合金或组合。尽管图1A和图1B示意性地示出了具有包括基本上直侧面的矩形横截面的结构26，但具有直的、弯曲的、和/或不规则的侧面的任何其他形状(例如，规则的；不规则的；几何的；非几何的)也与本文描述的某些实施例兼容。在某些实施例中，结构26从第一表面24朝向第二表面25延伸至以下范围内的深度Dz：1微米至30微米、2微米至10微米、3微米至7微米、2微米至4微米、或小于7微米。在某些实施例中，深度Dz至少部分地基于电子32的动能来选择，因为电子穿透深度取决于电子动能和电子行进穿过的材料。例如，对于包括金的结构26，针对20keV电子，深度Dz可以被选择在2微米至4微米的范围内，并且针对40keV电子，深度Dz可以被选择在4微米至6微米的范围内。
尽管未在图1和图1B的截面图中示出，但在某些实施例中，结构26被布置为以一维阵列跨衬底22的一部分(例如，沿平行于第一表面24的方向彼此对准)。例如，结构26可包括至少一种第二材料的细长条带或“线”，其彼此间隔开并且基本上彼此平行(例如，用于一维Talbot-Lau成像系统)。在某些其他实施例中，结构26被布置为以二维阵列跨衬底22的一部分(例如，沿着彼此垂直且平行于第一表面24的两个方向彼此对准)。例如，结构26可包括至少一种第二材料的块、六边形(例如，“蜂窝”)棱柱、或“点”(例如，圆柱体)，其在两个横向方向上彼此间隔开(例如，用于二维Talbot-Lau成像系统)。在某些实施例中，结构26被布置成一维阵列和二维阵列的混合。
在某些实施例中，结构26中的至少一些各自以至少一个横向方向(例如，平行于第一表面24的方向)沿着第一表面24延伸宽度W。例如，图1B示出了具有宽度W1并且在第一横向方向上(例如，平行于第一表面24的第一方向；由表面法线28和电子照射的方向34限定的平面中的第一方向)上在结构26之间具有间隔距离S1的结构26。结构26在垂直于第一横向方向的第二横向方向上的宽度可以在0.5微米至10毫米的范围内；0.5微米至5毫米的范围内；0.5微米到1毫米的范围内；0.2毫米至3毫米的范围内。在某些实施例中(例如，其中结构26被布置为一维阵列或二维阵列)，至少一些结构26在第一横向方向上的宽度W1在0.5微米至2微米的范围内、在1微米至3微米的范围内、在1微米至5微米的范围内、或在小于5微米的范围内，并且在第一横向方向上的至少一些结构26之间的间隔距离S1在大于0.3微米的范围内、在0.3微米至2微米的范围内、在1微米至2微米的范围内、或在1微米至4微米的范围内。在某些实施例中，结构26的占空比(例如，宽度W与宽度W和间隔距离S之和的比率，沿第一表面24的横向方向)为33％、50％、在20％至40％的范围内、在40％至60％的范围内、或在50％至70％的范围内。在某些实施例中(例如，其中结构26被布置为二维阵列)，结构26还具有宽度W2并且在第二横向方向(例如，平行于第一表面24的第二方向；垂直于由表面法线28和电子照射的方向34限定的平面的第二方向)上在结构26之间具有间隔距离S2。在某些实施例中，至少一些结构26在第二横向方向上的宽度W2在0.5微米至2微米的范围内、在1微米至3微米的范围内、在1微米至5微米的范围内、或者在小于5微米的范围内，并且在第二横向方向上的至少一些结构26之间的间隔距离S2在大于0.3微米的范围内、在0.3微米至4微米的范围内、或者在1微米至2微米的范围内。在某些实施例中(例如，其中结构26被布置为线性类型阵列)，结构26具有基本上大于W1的宽度W2，并且结构26被布置为使得它们的宽度W2彼此对准(例如，形成“虚线”或“虚线”阵列)，或者被布置为使得结构26在垂直于它们的宽度W2的横向方向上相对于彼此移位、偏移或交错。至少一些结构26之间的间隔距离S2在0.2微米至0.4微米的范围内、0.3微米至0.7微米的范围内、或在小于2微米的范围内。在某些实施例中，间隔距离S1、S2中的至少一个足够大以促进(例如，增强；改善)从结构26到衬底22、以及从衬底22到与衬底22热连通的散热器的热传递。在其中作为电子动能的函数的第一和第二材料中的电子穿透深度和/或电子平均自由行程是已知的某些实施例中，靶20的尺寸(例如，深度Dz、宽度W、间隔距离S中的一个或多个)和电子传播方向34被选择为使得至少一些电子32传播通过两个或更多个结构26。
该设计的具体实施例可以根据预期应用而变化。例如，对于乳房x射线照相或半导体样品的基于吸收的亚微米分辨率3D x射线微缩照片，某些实施例的x射线源可以使用20keV至70keV范围内的电子加速电压。在某些这样的实施例中，结构26的至少一种第二材料可以是钼、钨、和/或铑。宽度W1(以及如果是二维阵列，则宽度W2)可以在0.3微米至1微米的范围内、在0.5微米至1.5微米的范围内、或在1微米至2微米的范围内。结构26的深度Dz可以被选择为小于电子在其通过第一材料(例如，金刚石)的动能处的电子穿透深度的连续减速近似(CSDA)估计的一半，并且可以在1微米至3微米的范围内、2微米至5微米的范围内、或4微米至10微米的范围内。对于另一示例，x射线微缩照片和医学CT应用，某些实施例的x射线源可以使用更高的电子加速电压(例如，高达120keV或高达160keV)。在某些这样的实施例中，结构26的至少一种第二材料可以是钨。宽度W1(以及如果是二维阵列，则W2)可以在0.3微米至1微米的范围内、在0.5微米至1.5微米的范围内、或在1微米至3微米的范围内。结构26的深度Dz可以在2微米至5微米的范围内、在4微米至8微米的范围内、或在6微米至12微米的范围内。
在某些实施例中，靶20还包括在第一材料和至少一种第二材料之间的至少一个界面层，并且该至少一个界面层包括与第一材料和至少一种第二材料不同的第三材料。该至少一种第三材料的示例包括但不限于下列项中的至少一项：氮化钛(例如，与包括金刚石的第一材料和包括钨的第二材料一起使用)、铱(例如，与包括金刚石的第一材料和包括钼和/或钨的第二材料一起使用)、铬(例如，与包括金刚石的第一材料和包括铜的第二材料一起使用)、铍(例如，与包括金刚石的第一材料一起使用)、以及氧化铪。在某些实施例中，该至少一个界面层的厚度在1纳米至5纳米的范围内、在2纳米至30纳米的范围内、或在2纳米至50纳米的范围内。在某些实施例中，该至少一种第三材料被选择为提供扩散阻挡层，该扩散阻挡层被配置为避免(例如，防止；减少；抑制)该至少一种第二材料(例如，钨)扩散到第一材料(例如，金刚石)中。例如，扩散阻挡层在与金刚石第一材料的界面处可以从碳化物材料逐渐变化为至少一种第三材料。在某些实施例中，该至少一种第三材料被配置为增强(例如，改善；促进)至少一种第二材料与第一材料之间的粘附和/或增强(例如，改善；促进)至少一种第二种材料与第一材料之间的导热性。
在某些实施例中，靶20还包括在第一表面24处覆盖结构26的至少一个层。某些实施例的该至少一个层包括导电材料(例如，掺杂的金刚石；镍；铝)，其被配置为与电接地或另一电势电连通以防止由于靶20的电子照射而使第一表面24充电，和/或密封材料(例如，第一材料；金刚石；铍；蓝宝石)，其被配置为密封该至少一个层和衬底22之间的结构26。
在某些实施例中，电子源30包括电子发射器，其具有分配器阴极(例如，浸渍的钨)、钨丝、六硼化镧(LaB6)阴极、被或配置为(例如，经由热离子发射或场发射)发射电子32(被引导以撞击靶20)的碳纳米管。根据本文所述的某些实施例的示例分配器阴极由加利福尼亚州Watsonville的Spectra-Mat公司销售(例如，包括浸渍有铝酸钡的多孔钨基质的热离子发射器)。
电子源30还包括电子光学组件(例如，偏转电极；栅格；静电透镜；磁透镜等)，其被配置为偏转、成形、和/或聚焦从电子发射器发射的电子32，以将电子加速到预定的电子动能，并将电子32引导到靶10上。根据本文描述的某些实施例的电子光学组件的示例配置包括但不限于单栅格配置、双栅格配置和三网格配置。在某些实施例中，电子光学组件被配置为通过设置延迟场来限制从电子发射器汲取电子的位置，而其他下游电子光学组件被用于汲取穿过延迟场的电子。在某些实施例中，靶20被配置为用作阳极(例如，设置为相对于电子源30的正电压)以加速和/或以其他方式修改电子32的轨迹。在某些实施例中，靶20被配置为用作源的接地窗口。
在某些实施例中，电子源30相对于靶20被定位为使得电子32以相对于第一表面24的该部分的表面法线28的非零角度θ撞击第一表面24。例如，角度θ可以大于20度、在40度至85度的范围内、在30度至70度的范围内、或者在40度至60度的范围内。如图1A和图1B所示，角度θ等于60度。在其中结构26被布置为一个或多个一维(例如，线性)阵列的某些实施例中，电子束中心线在靶20的第一表面24上的投影平行于第一横向尺寸(例如，较短的宽度W1)并正交于第二横向尺寸(例如，较长的宽度W2)，以便于电子行进通过一个以上的结构26。在其中结构26被布置为一个或多个二维阵列的某些实施例中，中心电子束投影可以与阵列尺寸成对角线。在某些实施例中，可以通过一个或多个电磁组件(例如，一个或多个电极和/或电极元件)相对于靶20的第一表面24偏转和/或移动(例如，一个或多个电子束中的)电子32，以照射靶20上的不同结构区域。在某些其他实施例中，可以通过机械地移动电子源30的一个或多个组件(例如，一些或全部电子源30被安装在机械挠曲系统上)来相对于靶20的第一表面24偏转和/或移动电子32。在某些实施例中，电子32相对于第一表面24的偏转和/或移动可以修改电子32照射第一表面24的入射角，而在某些其他实施例中，入射角基本上不被电子32的偏转和/或移动改变。
在某些实施例中，撞击一些结构26的电子32可以被布置为单个电子束中或多个电子束，并且该一个或多个电子束可以各自具有矩形光束轮廓、椭圆型光束轮廓、或其他类型的光束轮廓。在某些实施例中，至少一些电子32以彼此相同的角度θ撞击不同的结构26(例如，电子32以彼此基本相同的角度θ入射到多个结构26的每个结构26，如图1A中示意性所示)，而在某些其他实施例中，至少一些电子32以彼此不同的非零角度θ撞击不同的结构26。在其中至少一些结构26沿着靶20的横向方向(例如，平行于第一表面24的方向)彼此分开的某些实施例中，电子源30相对于靶20被定位为使得电子32的中心线位于由表面法线38和横向方向限定的平面中(例如，如图1A中示意性所示)。
在某些实施例中，撞击结构26的电子32的动能在0.5keV至160keV的范围内、2keV至85keV的范围内、35keV至85keV的范围内、20keV至70keV的范围内、20keV至120keV的范围内、20keV至160keV的范围内，或被选择用于提供具有预定能谱的x射线的任何其他范围。在某些实施例中，角度θ和电子动能被选择为使得至少一些电子32在靶20内具有足以穿透第一表面24并照射至少两个结构26的电子穿透深度。在某些实施例中，宽度W、间隔距离S和占空比(例如，W/(W+S))被选择为对应于入射电子束能量和角度θ，使得大多数电子遇到多于一个结构26。在某些这样的实施例中，尺寸W和S足够小，使得电子穿透距离(例如，平均电子停止距离)(其是材料和电子能量二者的函数)在预定电子加速电压下至少延伸结构26的第二材料(例如，钨)的W/(sinθ)以及第一材料(例如，金刚石)的S/(sinθ)(例如，电子穿透距离大于(W+S)/(sinθ))。在某些实施例中，θ是60度。
例如，参考图1B，其示意性地示出了沿着第一表面24的横向方向彼此分开分隔距离S1的第一结构26a和第二结构26b，可以使用电子穿透深度的连续减速近似(CSDA)估计来选择电子32的动能，使得至少一些电子32传播穿过第一结构26a、穿过第一和第二结构26a、26b之间的衬底22的部分，到达第二结构26b。在某些实施例中，靶20的厚度T被配置为小于衬底22的第一材料中的电子32的电子穿透深度的CSDA估计，从而避免(例如，防止；减少；抑制)第一材料的较深部分和/或由结构26产生的x射线的第一材料的吸收贡献于来自x射线产生的所得x射线。
在某些实施例中，在由电子32照射的每个结构26中产生x射线50。如图1A示意性所示，在某些实施例中，在包括多个子光束52a、52b、...的光束中从靶20发射x射线50，其中每个子光束从相应的一个结构26传播。
尽管图1A示意性地示出了仅由结构26产生并从结构26发射x射线50，但电子照射还从衬底22(例如，结构26之间的衬底22的区域)产生x射线生成，并且在衬底22内生成的这些x射线可能不利地退化所得的总x射线分布(例如，减少结构26作为单独的x射线发射器的区分，这有利于在Talbot-Lau成像系统中使用x射线源10)。例如，期望x射线空间分布(例如，结构26用作空间上不同的x射线子源)可能被衬底生成的x射线退化，并且期望x射线能谱(例如，x射线具有作为x射线能量的函数的强度，该x射线能量是结构26的至少一种第二材料的特征)可能被第一材料生成的x射线退化。
图2A-2C示意性地示出了根据本文描述的某些实施例的被配置为改善来自靶20的x射线分布的示例靶20。如图2A示意性所示，靶20包括位于结构26和靶20的第二表面25之间的位置处的至少一个层60。该至少一个层60包括嵌入在衬底22内的x射线吸收材料(例如，金)，其具有厚度Ta(例如，在10微米至30微米的范围内)，并且包括在结构26正下方的孔(例如，具有3微米的间距和2微米的线)。例如，可以通过在衬底22的背表面上沉积均匀层，蚀刻层60以形成期望微结构，并然后在背表面上的层60上方形成另外的衬底材料来形成该至少一个层60。替代地，可以单独地形成衬底的顶部和衬底的底部，顶部具有结构26并且底部具有该至少一个层60，并且两个衬底部分可以连接在一起(例如，粘附；夹紧)。
在某些实施例中，该至少一个层60有效地阻挡在衬底22中产生的许多x射线，同时允许在结构26中产生的x射线50的传输。该至少一个层60具有由至少一个层60的厚度Ta除以孔的横向宽度Wh所限定的纵横比，并且至少一个层60的纵横比可以低于Talbot-Lau成像系统的传统G0吸收栅格的纵横比。
如图2B示意性所示，至少一个层60包括沉积在第二表面25上的x射线吸收材料(例如，金)，其具有厚度Tb(例如，在10微米至60微米的范围内)，并且包括位于结构26正下方的凹槽62，其具有横向宽度Wh，深度在3微米至100微米的范围内。在某些实施例中，至少一个层60还用作滤波器，其被配置为减小x射线50的能量带宽(例如，用于过滤x射线50以具有感兴趣的x射线能量周围±15％的带宽)。如图2C示意性所示，至少一个层60包括沉积在第二表面25上的x射线吸收材料(例如，金)，其具有厚度Tb(例如，在10微米至60微米的范围内)，并且包括孔径64，该孔径64具有足够宽的横向宽度，使得来自多个结构26的x射线可以传播通过孔径64。在某些这样的实施例中，至少一个层60限定区域的外边界(例如，周界)，通过该外边界从靶20的第二表面25发射来自多个结构26的x射线。
在某些配置中，靶可以包括在衬底(例如，金刚石)的顶表面上的x射线生成材料(例如，金；钨；钼)的薄层以及衬底的底表面上的多个结构，该多个结构用作x射线吸收层以限定单独的x射线发射器。
在某些实施例中，如图1A示意性所示，至少一个光学元件40被配置为接收从靶20发射的至少一些x射线50。例如，至少一个光学元件40包括x射线源10的壳体壁的窗口部分(例如，对于从靶20发射的至少一些x射线50基本透明的是固体材料)，并且与靶20的衬底22间隔开。在某些实施例中，如图1C示意性所示，窗口部分包括靶20(例如，x射线源10的壳体壁包括衬底22，使得衬底22的第一表面24面向壳体内的区域，并且第二表面25面向壳体外部的区域)。通过使窗口部分包括衬底22，传送通过第一材料的至少一些x射线还传送通过窗口部分，并从靶20发射(例如，传送通过第二表面25)。尽管图1C示意性地示出了仅衬底22的边缘被机械地耦合到x射线源10的壳体，但在某些实施例中，衬底22被安装到壳体壁的一部分，该部分对于从衬底22的第二表面25发射的至少一些x射线50基本上是透明的。例如，衬底22的第二表面25可以被安装到壳体壁的该部分的内表面。
再例如，至少一个光学元件40包括Talbot-Lau成像系统的光栅(例如，G1)和/或由Talbot-Lau成像系统分析的样品。又例如，至少一个光学元件40包括孔径和/或x射线光学器件，其被配置为接收x射线50并修改(例如，聚焦；偏转；过滤)x射线。根据本文描述的某些实施例的各种光学元件在美国专利号9,719,947、9,874,531、10,349,908和10,352,880，以及美国专利申请公开号2015/0117599A1和2016/0320320A1中有所公开，其各自以其整体并入本文。
在某些实施例中，电子源30和至少一个光学元件40被定位在靶20的相对侧(例如，电子源30面向第一表面24并且至少一个光学元件40面向第二表面25；参见例如图1A)，其对应于透射x射线源10配置。在某些其他实施例中，电子源30和至少一个光学元件40被定位在靶20的同一侧(例如，电子源30面向第一表面24并且至少一个光学元件40面向第一表面24)，其对应于反射x射线源10配置。
在某些实施例中，电子32对第一表面24的入射角θ被配置为与衬底22内的能量沉积相比有利地增加结构26中的能量沉积。在某些这样的实施例中，沉积在结构26中的总能量沉积的该部分(例如，结构26中的能量沉积与总能量沉积的比率)增加一个因子(例如，2X至5X)。
图3A-3C示出了根据本文描述的某些实施例的撞击在靶20的第一表面24上的30keV的电子束的模拟计算的结果。图3A示出了来自撞击靶20的第一表面24的电子的总沉积能量(以任意单位)作为入射角θ(以从第一表面24的表面法线28测量的度数)的函数的曲线图。在垂直入射(θ＝0)时，靶20中的总沉积能量处于其最大值，其中约15％的能量损失到反向散射和/或反射的电子。靶20中的总沉积能量随着入射角越大而单调变小，这是由于反向散射和/或反射的电子的量增加，其具有增加比例的总冲击能量入射在靶20上。图3B示出了靶20中的总沉积能量与入射在靶20上的总冲击能量的比率的曲线图，其进一步示出了由于反向散射和/或反射的电子而引起的入射角的总沉积能量的该单调减小。为了考虑在较高入射角处的电子的反向散射，可以在较高角度处增加电子加载功率。
此外，如图3A所示，在垂直入射(θ＝0)时，衬底22中的沉积能量(即沉积在衬底22中的冲击能量的部分)大于结构26中的沉积能量(即沉积在结构26中的冲击能量的部分)。衬底22中的沉积能量也随着较大入射角而单调减小，以约53度的入射角穿过结构26中的沉积能量，而结构26中的沉积能量具有45度和60度之间的最大值。在较大入射角处，电子32遇到越来越多的结构26的至少一种第二材料，但在电子32的入射角大于20度时，反向散射和/或反射的电子的比率显著增加，导致总能量沉积减少，并且较少电子贡献于x射线生成。
图3C示出了作为入射角的函数的(i)衬底22中的沉积能量与总沉积能量的比率，以及(ii)结构26中的沉积能量与总沉积能量的比率的曲线图。这两个比率在约47度的入射角处彼此相等，并且在更高的入射角处，对结构26的能量沉积大于对衬底22的能量沉积。例如，在θ＝60度时，沉积在结构26中的能量是总沉积能量的55％，而沉积在衬底22中的能量是总沉积能量的45％。尽管与垂直入射相比在这些较高入射角(例如，θ＝60度)处更多能量损失到反向散射和/或反射的电子(参见图3B)，但通过在结构26中比在衬底22中沉积更大比例的总沉积能量(伴随着结构26中生成的x射线增加并且衬底22中生成的x射线减少)，某些实施例有利地提供了与来自衬底22(例如，结构26之间的部分)的x射线发射相比的来自结构26的x射线发射之间的更高对比度、与来自衬底22(例如，结构26之间的部分)的x射线发射相比的来自结构26的x射线发射之间的更高相对亮度、和/或改善的Talbot边缘能见度。
在某些实施例中，靶20的结构参数(例如，结构26的横向尺寸；跨第一表面24的结构26的间距；结构26之间的距离；结构26的厚度)被选择为提供较高入射角处电子32的相互作用增加与由于反向散射和/或反射的电子损失而引起的x射线生成量减少之间的期望折衷。在某些实施例中，电子动能被选择为使得撞击靶20的第一表面24的电子32的平均停止范围(例如，包括行进穿过第一材料和第二材料)延伸通过一个以上的结构26。
上面已经描述了各种配置。尽管已经参考这些具体配置描述了本发明，但这些描述旨在说明本发明而不是限制性的。在不脱离本发明的真实精神和范围的情况下，本领域技术人员可以想到各种修改和应用。因此，例如，在本文公开的任何方法或过程中，构成方法/过程的动作或操作可以以任何合适的顺序执行，并且不必限于任何特定的公开序列。来自以上讨论的各种实施例和示例的特征或元件可以彼此组合以产生与本文公开的实施例兼容的替代配置。已经适当地描述了实施例的各个方面和优点。应理解，不一定能够根据任何特定实施例来实现所有这些方面或优点。因此，例如，应认识到，各种实施例可以以实现或优化如本文教导的一个优点或一组优点的方式来执行，而不一定实现本文可能教导或建议的其他方面或优点。

Claims (28)

1.一种x射线源，包括：
靶，所述靶包括：
衬底，所述衬底包括导热的第一材料和第一表面；以及
多个结构，所述多个结构位于所述第一表面的至少一部分上或嵌入在所述第一表面的至少一部分中，所述结构彼此分开并且与所述衬底热连通，所述结构包括与所述第一材料不同的至少一种第二材料，所述至少一种第二材料被配置为在由具有处于0.5keV至160keV的能量范围内的能量的电子进行照射时生成x射线；以及
电子源，所述电子源被配置为生成所述电子，并且引导所述电子以撞击所述靶并且沿着相对于所述第一表面的所述一部分的表面法线的非零角度处的方向照射所述结构中的至少一些结构，所述电子的所述角度和动能被配置为使得所述电子中的至少一些电子在所述靶内具有足以穿透所述第一表面并且照射所述结构中的至少两个结构的电子穿透深度。
2.根据权利要求1所述的x射线源，还包括x射线窗口，所述x射线窗口包括所述靶，所述x射线中的至少一些x射线穿过所述第一材料并且穿过所述靶的第二表面。
3.根据权利要求1所述的x射线源，其中，所述角度大于20度。
4.根据权利要求1所述的x射线源，其中，所述角度在40度至85度的范围内。
5.根据权利要求1所述的x射线源，其中，所述角度在40度至60度的范围内。
6.根据权利要求1所述的x射线源，其中，所述角度等于60度。
7.根据权利要求1所述的x射线源，其中，从所述电子到所述结构的能量沉积大于从所述电子到所述衬底的能量沉积。
8.根据权利要求1所述的x射线源，其中，所述衬底包括第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对并且大致平行于所述第一表面，并且所述衬底在所述第一表面和所述第二表面之间具有250微米至3000微米的范围内的厚度。
9.根据权利要求8所述的x射线源，其中，所述结构从所述第一表面朝向所述第二表面延伸至1微米至30微米的范围内的深度。
10.根据权利要求8所述的x射线源，其中，所述结构从所述第一表面朝向所述第二表面延伸至2微米至10微米的范围内的深度。
11.根据权利要求8所述的x射线源，其中，所述x射线穿过所述衬底的所述第二表面到达至少一个光学元件。
12.根据权利要求1所述的x射线源，其中，所述结构中的至少一些结构在至少一个横向方向上各自沿着所述第一表面延伸0.5微米至5微米的范围内的宽度。
13.根据权利要求1所述的x射线源，其中，所述结构中的至少一些结构沿着所述第一表面彼此分隔开大于0.3微米的分隔距离。
14.根据权利要求13所述的x射线源，其中，所述分隔距离在1微米至2微米的范围内。
15.根据权利要求1所述的x射线源，其中，所述第一材料包括下列项中的至少一项：金刚石、碳化硅、铍、和蓝宝石。
16.根据权利要求1所述的x射线源，其中，所述第一材料具有20W/m-K和2500 W/m-K之间的范围内的导热率，并且包括原子序数小于或等于14的元素。
17.根据权利要求1所述的x射线源，其中，所述至少一种第二材料包括下列项中的至少一项：钨、金、和钼。
18.根据权利要求1所述的x射线源，其中，所述靶还包括位于所述第一材料和所述至少一种第二材料之间的至少一个界面层，所述至少一个界面层包括与所述第一材料和所述至少一种第二材料不同的至少一种第三材料。
19.根据权利要求18所述的x射线源，其中，所述至少一种第三材料包括下列项中的至少一项：氮化钛、铱、和氧化铪。
20.根据权利要求1所述的x射线源，其中，所述靶还包括在所述第一表面处覆盖所述结构的至少一个层。
21.根据权利要求20所述的x射线源，其中，所述至少一个层是导电的，和/或密封所述至少一个层与所述衬底之间的所述结构。
22.根据权利要求20所述的x射线源，其中，所述至少一个层包括所述第一材料。
23.根据权利要求1所述的x射线源，其中，所述x射线在2keV至85keV的能量范围内。
24.根据权利要求1所述的x射线源，其中，所述x射线在包括多个子光束的光束中从所述靶被发射，所述多个子光束各自从所述多个结构中的相应的一个结构传播。
25.根据权利要求1所述的x射线源，还包括至少一个光学元件，所述至少一个光学元件被定位为使得所述x射线中的至少一些x射线穿过所述第一材料，并且到达或穿过所述至少一个光学元件，其中，所述至少一个光学元件包括对于所述x射线中的所述至少一些x射线基本透明的固体材料。
26.一种x射线干涉测量系统，包括如权利要求1所要求保护的x射线源。
27.根据权利要求26所述的x射线干涉测量系统，具有Talbot-Lau干涉测量配置。
28.根据权利要求27所述的x射线干涉测量系统，包括Talbot x射线显微镜。
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