CN116194760A - 基于实验室的3D扫描X射线劳厄微衍射系统和方法（Lab3DμXRD） - Google Patents

Abstract

一种基于实验室的3D扫描X射线扫描劳厄微衍射系统和用于晶体材料表征的方法，包括：聚焦光学器件、位于距聚焦光学器件一定距离处的样品、实验室X射线源、平移和旋转样品的台、布置成检测衍射X射线的劳厄衍射图案的检测器。该方法包括通过以不同的旋转相对于聚焦束平移样品来扫描样品的每一层，以在多于一个旋转中照射该层中的每个体素，并在不同的旋转中使用记录的劳厄衍射图案索引该层中的每个体素。通过对样品的不同层重复平移和旋转，重建样品晶粒结构的3D图像。

Description

基于实验室的3D扫描X射线劳厄微衍射系统和方法(Lab3Dμ XRD)

技术领域

本发明涉及使用衍射测量的晶体材料表征的一般领域。

背景技术

晶体材料的表征可以帮助工业界和学术界的科学家了解晶体材料的特性以及加工/制造与特性/性能之间的关系。这是通过使用衍射测量表征多晶材料中每个晶体(也称为晶粒)的晶体取向来完成的，其中束从单个晶粒衍射并记录衍射图案。为了充分表征样品，需要对晶粒取向的3D分布进行成像。

3D X射线衍射的第一种形式3DXRD是20年前发明的，其中来自高通量同步加速器源的单色硬X射线束穿透样品，穿透深度在铝的情况下为几厘米或在钢的情况下为几毫米。在3DXRD实验中，使用分别照射样品的一段或一部分体积的层或箱形束实施断层扫描数据采集程序。高能X射线衍射显微镜和衍射对比断层扫描(DCT)是3DXRD的分支，可以表征大于几微米的晶粒，空间分辨率低至300nm左右，标准分辨率约为1μm。目前，使用3DXRD表征变形材料并提供局部晶内应变信息仍然具有挑战性。

扫描3DXRD可用于提高空间分辨率和表征局部应变信息，其使用聚焦单色束，其中样品体积在一系列平移和旋转步骤后得到映射。在所有这些情况下，当使用单色X射线时，产生的衍射是布拉格衍射。

同步加速器3D表征的另一种形式是劳厄微衍射技术，其中多色X射线由非色散Kirkpatrick-Baez反射镜聚焦到约0.5μm的大小并定向到样品上。Pt线或刀刃用作差分孔径，以解析在样品内沿束的何处发生劳厄衍射。在水平和垂直平移样品后实现3D体积映射。在劳厄微衍射技术的情况下，不需要旋转样品。

这些技术的一个局限性是它们需要同步加速器设施，而这些设施的建造和运行成本很高，而且可用的束流时间有限。为了能够更快、更便宜地对更多材料进行表征，这些系统和技术必须适应来自实验室源的X射线，这一点至关重要。到目前为止，只开发了一个这样的系统，即LabDCT系统。美国专利US8385503B2和US9383324B2中公开了LabDCT系统。

US8385503B2和US9383324B2或US 2015/0316493 A1公开了一种系统，其中来自实验室X射线源的白色/多色发散光被引导通过小孔到达样品。在该系统中，执行样品平移以对齐样品。指向样品的X射线束是发散的，因此一定体积的样品被照射。样品仅在LabDCT数据采集期间旋转，因此LabDCT通过使用将多色锥形X射线束限制在所需体积的小孔来工作。当样品旋转时，可以在区域检测器上以高信噪比记录来自同一晶粒不同晶格平面的多个衍射点。这些点用于晶体方向的索引和重建3D样品体积。然而，目前无法测量应力。

虽然LabDCT使用实验室X射线源工作，但由于劳厄聚焦效应，它具有固有的限制，这要求晶体/晶粒无缺陷。进一步，它仅可以以5-10μm的空间分辨率映射3D晶粒，并且仅适用于大于20-30μm的晶粒。由于大多数金属的典型晶粒尺寸在1-25μm范围内，这还不够。此外，LabDCT无法表征变形材料，也无法确定单个晶粒内的局部晶格应变。

WO 2009/126868 A1公开了一种的X射线生成系统，其使用聚焦单色X射线，或具有有限离散能量范围而不是连续多色光谱的X射线，如US9383324B2中所述，这些射线这被认为对于DCT而言太低。DCT最初是基于单色同步加速器X射线束设计的。

因此，一种改进的基于实验室的衍射系统和方法将是有利的，特别是这样一种系统和方法，它可以表征尺寸为几μm量级的小晶粒，并且可以确定局部晶格应变，而且即使样品变形也能工作。

此申请相关项目已获得欧洲研究委员会(ERC)根据欧盟Horizon 2020研究与创新计划提供的资金(资助协议编号788567)。

发明内容

发明目的

本发明的进一步目的是提供现有技术的替代方案。

特别地，本发明的一个目的可以看作是提供一种基于实验室的3D扫描X射线劳厄微衍射系统，该系统解决了现有技术中的上述问题，表征尺寸为几μm量级的小晶粒，确定局部晶格应变，并且能够表征变形的样品。

发明内容

因此，本发明的第一方面旨在通过提供一种用于晶体材料表征的基于实验室的3D扫描X射线劳厄微衍射系统来实现上述目的和若干其他目的，该系统可包括：

-聚焦光学器件，

-距所述聚焦光学器件一定距离处的样品，

-用于产生多色X射线束的实验室X射线源，

-所述聚焦光学器件在所述X射线源和所述样品之间布置在所述射线束的路径中，以在所述样品内部的图像点处产生光斑尺寸直径小于30μm的聚焦束，所述聚焦束从所述样品内被所述束照射的内部样品体积衍射，产生衍射X射线，

-用于保持所述样品的台，所述台适于相对于所述聚焦束以特定间隔和角度旋转和平移所述样品，

-检测器，用于检测所述衍射X射线的劳厄衍射图案。

在一些实施例中，检测器是二维检测器。

在第二方面，本发明还涉及一种用于生成晶体材料的3D取向成像的方法，包括：

-将由实验室X射线源生成的多色X射线束聚焦到样品内小于30μm的光斑尺寸直径，以产生聚焦束，

-限定垂直于所述束的第一平移轴，

-限定垂直于所述第一平移轴和所述束的第二平移轴，

-沿所述第二平移轴在所述样品的预定计量体积中限定一个或多个层，

-通过以下步骤扫描所述样品的每一层

-以特定间隔沿所述第一平移轴平移所述样品，针对每个平移步长记录所得的衍射图案，

其中在所述样品的不同旋转下扫描所述样品的每一层，以便在多于一次旋转中照射该层中的每个体素，使得来自每个体素的劳厄衍射图案被记录在至少两个记录中，

其中通过沿所述第二平移轴将所述样品平移到下一层来扫描层，

-怼所记录的劳厄衍射图案进行索引，以重建所述样品的晶粒结构的3D图像。

发明人已经意识到，通过结合扫描3DXRD和劳厄微衍射技术，人们可以在实验室系统中表征更小的晶粒尺寸和局部晶格应变。本发明从扫描3DXRD中获取通过使用台平移和旋转样品的数据采集程序，从劳厄微衍射中获取使用多色X射线源并将束聚焦到较小光斑尺寸、测量多色束的劳厄衍射图案的概念。当通过以样品的不同旋转平移而扫描样品时，样品内的个体体素可以在多个记录中被照射和检测，并且可以基于这些记录来确定每个体素内的晶体取向。通过对样品的每一层重复扫描和旋转，可以重建样品的3D图像。

为了使该技术适应使用实验室X射线源的实验室设置，可能需要使用聚焦光学器件，以便将X射线源聚焦到小于30μm的光斑尺寸。

通过将X射线源聚焦到小于30μm的光斑直径尺寸，可以表征1-30μm范围内的晶粒，并且使用多色X射线可以允许使用劳厄衍射技术，使得可以测量局部取向和晶格应变并重建3D体积。粒度的下限和上限可能取决于聚焦光学器件和待测样品的规格。

当使用多色X射线束时，可以测量样品中晶粒内的局部晶格应变，因为可以使用劳厄衍射图案重建这种晶格应变。然而，由于基于实验室的X射线源可能无法产生使用差分孔径(用于同步加速器劳厄微衍射)所需的通量，因此有必要将该技术与扫描3DXRD技术相结合，以解析局部在样品中的单个晶粒内的方向和应变信息。

迄今还没有设想到结合这些技术，因为很明显，由于从布拉格衍射切换为劳厄衍射的复杂性，甚至没有设想到具有同步加速器微衍射的本发明。

在该方法中可以使用传统的以及非传统的索引方法，以索引劳厄衍射图案。后者可使用机器训练方法或深度学习。

因此，本发明以新颖且创造性的方式结合了两种同步加速器方法的技术，以创建基于实验室的3D扫描劳厄微衍射系统和方法(Lab3DμXRD)。

在US9383324B2中，样品平移仅用于数据采集前的对齐，不用于数据采集。WO2009/126868A1中的聚焦系统仅产生单色X射线，或具有有限范围的离散化能量但不是连续多色光谱的X射线，如US9383324B2中所述，这被认为对于DCT而言太低。DCT最初是基于单色同步加速器X射线束设计的。

WO 2009/126868 A1中描述的聚焦系统主要用于聚焦单色束和典型的软X射线(能量低于10keV)，而根据本发明的系统实现了产生具有连续能谱聚焦的硬多色X射线(能量>10keV)的聚焦光学器件，这特别具有挑战性，尤其是要具有<20-30μm的小光斑尺寸。

在优选实施例中，该系统可以包括可以布置在源和样品之间的屏蔽器，以及可以布置在样品之后的束阻挡器。如果检测器放置在透射束的路径中，则在样品之后具有用于阻挡透射束的束阻挡器可能是有利的，从而保护检测器。具有屏蔽器会是有利的，因为它会阻挡来自源的未穿过聚焦光学器件的直射束，从而提高衍射图案的对比度。

在优选实施例中，实验室X射线源可以产生X射线能量范围为5-150keV的多色束。

在优选实施例中，聚焦光学器件可以将X射线束聚焦到小于20μm、优选小于10μm、更优选小于5μm或最优选小于1μm的光斑尺寸直径。

具有与晶体材料中要测量的最小晶粒一样小的光斑尺寸直径可能是有利的。

在优选实施例中，检测器可以是光子计数、平板、基于闪烁体的CCD或CMOS检测器类型。

在优选实施例中，聚焦光学器件可以是双抛物面X射线反射镜光学器件、椭圆形多毛细管光学器件、Kirkpatrick-Baez反射镜等。

通过使用不同的聚焦光学器件，可以根据样品和3D表征的规格和要求来选择聚焦束的光斑直径尺寸。

在优选实施例中，两个或多个检测器可以布置在衍射X射线路径中的不同位置，检测器可以在由衍射X射线限定的径向平面中具有非重叠区域。

在优选实施例中，检测器可以被放置在距样品5-10mm到一米的位置，并且聚焦光学器件可以被放置在距样品20-50mm的位置(可以从光学器件的末端到样品进行测量)。

在优选实施例中，可以基于束的尺寸和样品的晶粒尺寸来选择沿第一平移轴的平移步长。平移间隔可能是束斑尺寸的范围，1-30μm或更大。

在优选实施例中，平移范围可以在不同的旋转下覆盖样品最长边的部分或全部。在其他实施例中，可以基于样品内要表征的计量体积来选择旋转和平移间隔和步长。在优选实施例中，对于样品的不同旋转，沿着第一平移轴的平移间隔和范围可以是相同的。然而，在其他实施例中，对于不同的旋转可以是不同的平移范围和间隔。

在这种情况下，限定的体素可能不会均匀分布。这在某些情况下可能是有利的，其中例如样品中存在孔洞，使得可以在平移中跳过该孔洞。在另一实施例中，平移步长可以在一个旋转角度相同，但在不同旋转角度不同。例如，0度的平移步长可以是1个单位，45度的平移步长可以是sqrt(2)/2个单位等。或者，平移步长可以在每次旋转时预先表征，从而跳过束没有被引导入样品处的平移步长。

在优选实施例中，可以通过以小于聚焦束的光斑直径尺寸的步长平移样品来提高空间分辨率。

在优选实施例中，旋转可以加起来达到四分之一周、半周或整周，但是可以设想其他旋转范围。在优选实施例中，旋转间隔可以是1到90度的数量级并且对于不同的旋转是相同的。在这样的实施例中，样品可以旋转多次，例如以0度、30度、60度、90度、120度、150度和180度的间隔旋转7次，使得每个层被扫描7次。在一些实施例中，旋转间隔可以针对每次旋转而改变，例如第一次旋转30度，然后60度等。

然而，取决于待表征的样品,平移和旋转可以是任何范围和间隔的组合。这可以确保样品内的个体体素可以被不止一个记录记录下来。它可用于选择测量以在单独的测量中记录选定的体素。

在优选实施例中，当晶体材料可能暴露于任何外部刺激时，以不同的时间间隔检测劳厄衍射图案以创建4D图像，其中时间是第四维。

在优选实施例中，索引属于以下类型：模式匹配、字典索引、深度学习。

计量体积优选是指待表征的样品内的体积。

内部样品体积优选是指在测量期间被束照射的样品内的体积。

体素优选是指样品内的限定体积。体素形状可以不同于立方体元素。体素可能重叠。

扫描优选是指相对于束平移样品，沿着扫描方向进行新的测量。

范围优选是指第一次平移/旋转和最后一次平移/旋转之间的距离/旋转角度。步长优选意味着距离/旋转的变化。

层优选是指样品的虚拟切片片段。

光斑尺寸直径优选是指束中最小尺寸的横截面直径。

实验室X射线源优选地是指在实验室环境中使用的机器和源并且被否定地限定为不是同步加速器束。

索引优选是指识别衍射图像中的衍射光斑并确定它们从晶粒(或体素)的哪些晶格平面衍射，从而确定晶粒(或体素)的晶体取向。

记录优选是指对于一次测量检测和存储来自检测器的衍射图案。

测量优选是指在记录衍射图案期间的特定时间对样品进行束曝光。

附图说明

现在将参照附图更详细地描述根据本发明的衍射系统和方法。附图显示了实施本发明的一种方式并且不应被解释为限制落入所附权利要求书范围内的其他可能的实施例。

图1A)说明了本发明的装置的一个实施例，

图1B)说明了由聚焦束照射的内部样品体积的一个实施例，

图1C)说明了根据本发明的方法的一个实施例，

图2说明了本发明的一个实施例，检测器相对于入射束90度放置，

图3说明了一个实施例，其中三个检测器用于检测衍射图案，

图4是根据本发明的方法的一个实施例的流程图，以及

图5示出了体素的一个实施例。

具体实施方式

图1A)显示了用于晶体材料表征的基于实验室的3D扫描X射线劳厄微衍射系统1的一个实施例。该系统包括：待表征的样品7，其位于距聚焦光学器件4一定距离处；实验室X射线源2，用于生成被引导到聚焦光学器件4中的多色X射线束3，使得聚焦光学器件4在X射线源2和样品7之间布置在束3的路径中，在位于样品内部的成像点处产生光斑尺寸直径小于30μm的聚焦束。样品7优选为晶体材料。

聚焦束5将照射样品7内的内部样品体积12，从而从整个被照射的内部样品体积12产生衍射X射线8。内部样品体积12可以在图1B)中看到。在图1B)中，由于焦距的缘故，聚焦束5在样品7内呈圆柱形，在一些实施例中焦距将大于等于样品7的厚度，但被照射的内部样品体积12的形状取决于聚焦束5，即照射样品7以及焦点在样品内的相对位置和焦距的大小。在一些实施例中，样品厚度可以大于焦距，这样束将在样品内发散或会聚，使得内部样品体积12不是圆柱形。

衍射X射线8由检测器9检测和记录，检测器9被放置在衍射X射线8的路径中，以便检测内部样品体积12的劳厄衍射图案13。检测器可以在一个实施例中被放置在透射或反射几何体中。

在一个实施例中，检测器9可以是以下类型：光子计数、平板、基于闪烁体的CDD或CMOS检测器等。

该系统还包括台6，适于相对于聚焦束5支撑、旋转和平移样品7。在一个实施例中，台6对样品7的平移可以发生在彼此垂直的两个方向上。在一些实施例中，台6可以由多个部件组成，例如用于固定样品的支架和用于平移和旋转支架的测角器装置。

台6适于以特定间隔和角度旋转和平移样品7，使得可以在样品7的不同旋转下以类似网格的方式扫描样品7，如图1C)所示。

在一个实施例中，样品7可以沿着垂直于束的第一平移轴和垂直于第一平移轴和束的第二平移轴平移。样品7的所需计量体积沿第二平移轴分层。

因此，该方法包括在垂直于束的第一平移轴上逐层扫描样品7。在图1C)的i)中，示出了样品7沿第二平移轴的顶视图，其中通过沿y轴分5步平移样品来扫描样品7，图1C)中的y轴对应于第一平移轴，z轴对应于第二平移轴，束沿x轴传播。

这些平移步长中的每一个都对应于单独测量和记录由被照射的不同内部样品体积12产生的劳厄衍射图案13。在图1C)的i)中，大多数X射线束都显示为线，但是如图1C)的i)中对于一个束所示，束将具有有限的尺寸，从而样品内的内部样品体积被照射。

在沿y轴扫描样品7后，样品7以特定旋转间隔旋转并被再次沿y轴扫描，如图1C)的ii)所示，其中样品7旋转90度并且再次被沿y轴扫描，每次旋转后沿y轴扫描。

旋转和平移步长取决于样品。扫描步骤中的每次平移都单独测量，因此在图1C)的iii)中所示的示例中，对样品7的一层进行了5*2＝10次测量。

在一些实施例中，数据收集过程是：将束引导至样品7的一层中的平移范围的开始，记录劳厄衍射图案13，沿平移范围以平移步长平移样品7，记录新劳厄衍射图案13。当平移覆盖整个平移范围时，旋转样品7并重复平移步骤。在该实施例中，旋转轴是z轴，但在一些实施例中，旋转轴可以独立于第一平移轴和第二平移轴。

当已经实现完整的旋转或期望的旋转范围时，样品7沿第二平移轴平移，在图1C)中这是z轴，以扫描下一层。在一些实施例中，轴不需要彼此垂直。

通过以不同的旋转扫描样品7，可以在至少两次测量期间照射样品7的每个体素15。体素15是样品7内的限定体积，如图1C)的iii)和iv)以及图5所示。

通过具有来自同一体素15的衍射图案13的两个或更多个记录，可以通过索引劳厄衍射图案13来重建体素15。样品中的每个体素15可以被单独索引并且样品7的3D图像被顺序重建。通过具有更小的平移和旋转步长，每个体素15将在更多次测量中被照射并且分辨率将提高。

很明显，旋转和平移范围和步长的选择是为了确保每个体素15被记录在至少两个记录中，但是同样可以基于固定的平移和旋转步长和/或束尺寸而选择体素15的尺寸。在一些实施例中，体素15在样品内可以具有不同尺寸，如果平移或旋转步长是非线性的并且可以重叠则将发生这种情况。在一些实施例中，选择平移和旋转步长以仅表征计量体积内的某些体素。

这意味着，为了提取有关每个限定的体素的晶体取向的信息，来自不同测量的共享内部体积的信号被索引。这些共享体积(即体素)可以根据平移和旋转先验确定，例如图1C)的iii)中的体素15，它由0度旋转的平移测量3和90度旋转的测量3限定。

使用0度旋转的第二次测量(从顶部开始)和90度旋转的第三次测量重建体素14。因此，可以在测量之前以相同的方式先验地选择用于重建特定体素的测量记录。如果仅要表征体素14和15，只需要3次测量。因此，可以根据所需的计量体积和计量体积内的体素先验地选择测量程序。

因此，平移步长和范围以及旋转是根据计量体积中的体素选择的，确保每个体素在至少两次测量期间全部或部分被照射。测量可能包含关于平移和旋转步长的元数据，以便选择正确的测量来重建体素。在图1C)中，测量可以包含有关扫描位置、旋转位置和层位置的元数据。这些数据还可以包括样品7的(第一平移轴坐标、第二平移轴坐标、旋转)数据，其中数据可以由台提供，例如由台6内的定位组件提供。

该方法可以看作是将一个网格投影到样品7的表面上。然后旋转样品，同时保持网格点在空间上固定，使得相同的网格点以相同的空间坐标投影到新旋转的样品7上。具体的旋转、平移步长大小和层尺寸是根据样品和束的形状和厚度以及其他测量因素来选择的。

例如，旋转步长为90度，旋转范围为360度，沿y轴平移5次，扫描3层，如图1C)所示，测量次数为4*5*3＝60，其中样品7中至少有5*5*3＝75个个体体素能够被表征。一些测量可能是空测量。

由聚焦束5照射的内部样品体积12在一些实施例中可以是重叠的而在其他实施例中不重叠。这些内部样品体积的数量和重叠可以决定生成的3D图像的分辨率。

具有这样的系统，将在一个实施例中实现尺寸>～1μm的晶粒的表征。可以表征的具体晶粒尺寸可能取决于聚焦光学器件4的规格和内部样品体积12之间所选的重叠。聚焦光学器件4会将X射线束聚焦到所需尺寸，并增加通量。因此，该系统将同步加速器扫描3DXRD的理念与实验室环境中的同步加速器劳厄微衍射相结合。

在优选实施例中，实验室X射线源2产生X射线能量在5-150keV范围的多色束3。这些能量通常可以由X射线管利用金属靶、旋转阳极、液态金属阳极或线性加速源等产生。在一些实施例中，源2也可以是具有相应更高通量的同步加速器源。所公开的系统和方法同样适用于实验室设置以及同步加速器设置。

在一个实施例中，聚焦光学器件4将X射线束聚焦到小于20μm、优选10μm、更优选5μm、最优选1μm的光斑尺寸直径。对束聚焦将同时增强聚焦束5的强度。

光学器件4的选择将取决于要表征的晶粒，例如，当表征1-5μm晶粒时，最好选择聚焦光学器件4以将束3聚焦到小于5μm的光斑尺寸直径。在一个实施例中，聚焦光学器件4可以将束3聚焦到小于1μm的光斑尺寸直径尺寸，使得可以以最佳方式研究1μm晶粒。

在一些实施例中，聚焦光学器件4为双抛物面X射线镜、椭球光学器件、多毛细管光学器件和Kirkpatrick-Baez反射镜等。通过使用双抛物面X射线镜，可以将束4聚焦到5μm或甚至更小的光斑尺寸直径。

可以将检测器9放置成与入射束成一定角度，只要可以测量源自内部样品体积12的衍射束就行。在这样的实施例中，不需要束阻挡器10，因为检测器没有放置在透射束11的路径中。如果检测器9放置在透射束11的路径中，则可以放置束阻挡器10以阻挡这个透射束。

如图2所示，在一个实施例中，检测器9可以相对于聚焦束5以90度角放置。因此，可以将检测器以透射几何形状(0度)或反射模式(90度)或背投模式(180度)或任何其他角度放置。该系统可以包括源2和样品7之间的屏蔽器16，用于阻挡来自源2的直射束。

如图3所示，在一个实施例中，两个或多个检测器9可以布置在衍射X射线8路径中的不同位置，检测器9在由衍射X射线8限定的径向平面中具有非重叠区域。因此，通过并排放置几个较小的检测器9来创建大的检测器区域。

在一个实施例中，检测器9可以放置在与样品7相距5-10mm到一米处并且聚焦光学器件4可以放置在与样品7相距20-50mm处(从聚焦光学器件的端部测量)。检测器9和光学器件4的精确放置取决于所需的光斑尺寸直径尺寸、光学器件工作距离、检测器像素尺寸和其他外部因素。

图4显示了生成样品3D图像的方法的流程图。该方法首先包括将实验室X射线源2聚焦到小于30μm的光斑尺寸直径，引导聚焦的束5进入待表征的样品7，从而照射内部样品体积12，以产生衍射X射线8。在该示例中，束3、5是水平的，从而第一平移轴是水平的，第二平移轴是垂直的。

在该方法的第二步中，相对于束3、5水平扫描样品7。每次平移对应于一次新的测量，其中记录劳厄衍射图案。当样品7已经完全水平扫描时，在第三步中旋转样品7并且根据步骤2再次水平扫描。

当样品7已经根据旋转规范完全旋转时，在第四步中垂直平移样品7以表征样品7的新层并且重复步骤2至4。这一直进行，直至被选择用于表征的样品7的所有计量体积都已被扫描。

当样品7已被完全扫描时，衍射图案13的记录可用于索引计量体积的各个体素15，以重建样品的3D图像。显然，步骤2、3和4是可以互换的，可以按任意顺序进行，旋转可以在任意步骤中进行，也可以混合进行。

层的厚度和平移尺寸可以基于要在样品7的计量体积中表征的体素15来预选。

在一个实施例中，内部样品体积12覆盖可以通过以特定间隔旋转和平移样品7而被聚焦束5照射的样品7的体积。扫描的样品体积也称为计量体积，可以重建计量体积中的所有体素。

如果仅表征样品的一部分，则当样品旋转时，只有该部分样品被扫描范围覆盖。因此，计量体积可能是样品的一部分，也可能是整个样品。

在一些实施例中，在样品7的扫描期间在内部样品体积12之间存在重叠区域，使得样品7在扫描期间以小于聚焦束5光斑直径尺寸的步长大小进行平移。内部样品体积12的确切位置和数量取决于样品7的具体要求，例如所需的分辨率、覆盖范围、样品尺寸等。

在一个实施例中，旋转间隔可以是1到90度的数量级，并且平移间隔可以是束的光斑尺寸的大小，例如在1-30μm之间，并且层的厚度也可以在束斑尺寸的范围内，例如在1-30μm之间，以确保整个计量体积被照射并且所有内部样品体积12变成计量体积。

当足够的内部样品体积12已被聚焦束照射，使得来自每个要表征的体素的衍射图案13已通过至少两次测量记录时，记录的衍射图案13被索引以重建样品7的晶粒结构的3D图像。这是通过为各个体素单独索引图案并通过插值不同索引的体素重建3D体积来完成的。

在一个实施例中，索引可以是图案匹配、字典索引或通过使用深度学习方法或其他类型的训练网络(例如AI、神经网络等)来执行。

当样品7暴露于外部刺激时，它可能会随时间改变结构和特性。因此，可以通过对于同一内部样品体积以不同时间间隔检测劳厄衍射图案来构建样品的4D图像。这使人们能够监测和检查外部刺激下的晶体材料。

综上所述，本发明可包括以下一项或多项：

i.一种用于晶体材料表征的基于实验室的3D扫描X射线劳厄微衍射系统(1)，包括：

-聚焦光学器件(4)，

-距所述聚焦光学器件(4)一定距离处的样品(7)，

-用于产生多色X射线束(3)的实验室X射线源(2)，

-所述聚焦光学器件(4)在所述X射线源(2)和所述样品(7)之间布置在所述射线束(3)的路径中，以在所述样品(7)内部的图像点处产生光斑尺寸直径小于30μm的聚焦束(5)，所述聚焦束(5)从所述样品(7)内被所述束(5)照射的内部样品体积(12)衍射，产生衍射X射线(8)，

-用于保持所述样品(7)的台(6)，所述台(6)适于相对于所述聚焦束(5)以特定间隔和角度旋转和平移所述样品(7)，

-检测器(9)，用于检测所述衍射X射线(8)的劳厄衍射图案(13)。

ii.一种用于生成晶体材料的3D取向成像的方法，包括：

-将由实验室X射线源(2)生成的多色X射线束(3)聚焦到样品(7)内小于30μm的光斑尺寸直径，以产生聚焦束(5)，

-限定垂直于所述束(5)的第一平移轴，

-限定垂直于所述第一平移轴和所述束(5)的第二平移轴，

-沿所述第二平移轴在所述样品(7)的预定计量体积中限定一个或多个层，

-通过以下步骤扫描所述样品(7)的每一层

-以特定间隔沿所述第一平移轴平移所述样品(7)，记录每个平移步长所得的衍射图案，

其中在所述样品(7)的不同旋转下扫描所述样品(7)的每一层，以便在多于一次旋转中照射该层中的每个体素(15)，使得来自每个体素(15)的劳厄衍射图案被记录在至少两个记录中，

其中通过沿所述第二平移轴将所述样品(7)平移到下一层来扫描层，

-索引所记录的劳厄衍射图案(13)，以重建所述样品(7)的晶粒结构的3D图像。

尽管已经结合特定实施例描述了本发明，但是不应将其解释为以任何方式限制所呈现的示例。本发明的范围由所附权利要求书阐明。在权利要求的上下文中，术语“包括”或“包含”不排除其他可能的元素或步骤。此外，提及诸如“一”或“一个”等的引用不应被解释为排除多个。在权利要求中使用的附图标记与附图中指示的元件相关也不应被解释为限制本发明的范围。此外，不同权利要求中提到的各个特征可能有利地组合，并且不同权利要求中提到的这些特征不排除特征的组合是不可能的和有利的

附图标记

1.基于实验室的3D扫描X射线劳厄微衍射系统

2.实验室X射线源

3.多色X射线束

4.聚焦光学器件

5.聚焦束

6.台

7.样品

8.衍射X射线

9.检测器

10.束阻挡器

11.透射束

12.内部样品体积

13.劳厄衍射图案

14.另一体素

15.体素

16.屏蔽器

Claims (15)

1.一种用于晶体材料表征的基于实验室的3D扫描X射线劳厄微衍射系统(1)，包括：

-聚焦光学器件(4)，

-位于距所述聚焦光学器件(4)一定距离处的样品(7)，

-用于产生多色X射线束(3)的实验室X射线源(2)，

-所述聚焦光学器件(4)布置在所述X射线源(2)和所述样品(7)之间的所述束(3)的路径中，以在所述样品(7)内部的图像点处产生光斑尺寸直径小于30μm的聚焦束(5)，所述聚焦束(5)从所述样品(7)内由所述束(5)照射的内部样品体积(12)衍射，产生衍射X射线(8)，

-用于保持所述样品(7)的台(6)，所述台(6)适于相对于所述聚焦束(5)以特定间隔和角度旋转和平移所述样品(7)，

-检测器(9)，用于检测所述衍射X射线(8)的劳厄衍射图案(13)。

2.根据权利要求1所述的系统，其中在所述样品(7)后布置用于阻挡透射束(11)的束阻挡器(10)，和/或在所述样品(7)和所述源(2)之间布置屏蔽器(16)，所述屏蔽器(16)用于阻挡来自所述源的未穿过所述聚焦光学器件(4)的直射束(3)。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述实验室X射线源产生X射线能量范围为5-150keV的多色束。

4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述聚焦光学器件(4)将所述X射线束聚焦到小于20μm、优选小于10μm、更优选小于5μm或最优选小于1μm的光斑尺寸直径。

5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述检测器(9)是光子计数、平板、基于闪烁体的CCD或CMOS检测器类型。

6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述聚焦光学器件(4)是双抛物面X射线反射镜光学器件、椭圆形多毛细管光学器件、Kirkpatrick-Baez反射镜等。

7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中两个或更多个检测器(9)布置在所述衍射X射线(8)的路径中的不同位置，所述检测器(9)在由衍射X射线(8)限定的径向平面上具有非重叠区域。

8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述检测器(9)被放置在距所述样品(7)5-10mm至1米处，并且所述聚焦光学器件(4)被放置在距所述样品(7)20-50mm，从所述光学器件(4)的末端测量。

9.一种用于生成晶体材料的3D取向成像的方法，包括：

-将由实验室X射线源(2)生成的多色X射线束(3)聚焦到样品(7)内小于30μm的光斑尺寸直径，以产生聚焦束(5)，

-限定垂直于所述束(5)的第一平移轴，

-限定垂直于所述第一平移轴和所述束(5)的第二平移轴，

-沿所述第二平移轴在所述样品(7)的预定计量体积中限定一个或多个层，

-通过以下步骤扫描所述样品(7)的每一层

-沿所述第一平移轴以特定间隔平移所述样品(7)，针对每个平移步长记录所得的衍射图案，

其中在所述样品(7)的不同旋转下扫描所述样品(7)的每一层，以便在多于一次旋转中照射该层中的每个体素(15)，使得来自每个体素(15)的劳厄衍射图案被记录在至少两个记录中，

其中通过沿所述第二平移轴将所述样品(7)平移到下一层来扫描层，

-对所记录的劳厄衍射图案(13)进行索引，以重建所述样品(7)的晶粒结构的3D图像。

10.根据权利要求9所述的方法，其中基于所述束和所述样品(7)的尺寸选择沿所述第一平移轴的所述平移步长，并且平移范围覆盖旋转时所述样品的最长边的一部分或最长边的全部。

11.根据权利要求9-10所述的方法，其中所述旋转间隔为1到90度的量级，并且平移间隔具有与光斑尺寸对应的1-30μm的范围。

12.根据权利要求9-11所述的方法，其中旋转间隔对于不同的旋转是相同的，或者对于每次旋转是变化的，诸如第一次旋转30度，然后60度等。

13.根据权利要求9-12所述的方法，其中旋转加起来达到所述样品的四分之一周、半周或整周或一些其他旋转范围。

14.根据权利要求9-13所述的方法，其中以不同的时间间隔检测所述劳厄衍射图案以产生所述晶体材料的4D图像，其中时间是第四维。

15.根据权利要求9-14所述的方法，其中所述索引为以下类型：模式匹配、字典索引、深度学习。

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