CN1598554A - X光分析设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X光分析设备，其中X光源所发射的X光被施加到样品并且二维CCD传感器检测样品所衍射的X光。X光分析设备具有2θ旋转驱动器和程序。2θ旋转驱动器移动二维CCD传感器。执行上述程序以便控制CCD传感器的动作。2θ旋转驱动器绕着遍布样品表面的ω轴而旋转CCD传感器。所述程序将CCD传感器中的电荷转移与2θ旋转驱动器所驱动的CCD传感器的动作同步。所以，用于相同衍射角度的数据项能够在二维CCD传感器的象素中积聚。这实现了高速高灵敏度检测被衍射的X光。

Description

X光分析设备

技术领域

本发明涉及一种X光分析设备，其中X光源所发射的X光被施加到样品并且半导体X光检测装置检测由样品所衍射的X光。

背景技术

通常，X光分析设备具有X光产生单元和X光检测器。X光产生单元将X光施加到样品。X光检测器检测从样品中显现出来的X光。在X光分析设备中，样品将向其施加的X光以一个特定的角度衍射。被衍射的X光从样品中显现。所以，被衍射的X光被X光检测器所检测。

已知多种类型的X光检测器，诸如零维X光检测器、一维X光检测器以及二维X光检测器。这些X光检测器也分别被称为零维计数器、一维计数器以及二维计数器。

零维X光检测器是一种被配置为将X光作为点而进行检测的X光检测器。本领域中已知零维X光检测器的实例是PC(ProportionalCounter，比例计数器)和SC(Scintillation Counter，闪烁计数器)。

一维X光检测器是一种被配置为将X光作为线而进行检测的X光检测器。本领域中已知一维X光检测器的实例是PSPC(PositionSensitive Proportional Counter，位置感测比例计数器)和一维CCD(Charge-Coupled Device，电荷耦合器件)传感器。PSPC具有在施加X光的位置上产生电信号的线性信号线。CCD传感器具有行排列的多个CCD元件。

二维X光检测器是一种被配置为在一平面上检测X光的X光检测器。本领域中已知二维X光检测器的实例是那些被称为成像板(Imaging Plate)和二维CCD传感器。成像板是一种具有覆盖有存储磷光体的接收表面的检测器板。二维CCD传感器具有行列排列的多个CCD元件。

上述的CCD传感器是一种半导体位置传感器。近年来，已经提出了包括半导体位置传感器的多种X光分析设备。在日本专利特开2002-250705号公报的第4-6页和图2中披露了一种X光分析设备。其期望这种类型的X光分析设备对X光的分析快于零维计数器和一维计数器。

在具有二维CCD传感器的传统X光分析设备中，当样品(也就是分析物体)和二维CCD传感器彼此相对移动时检测X光。该设备很难以高速和高灵敏度来检测X光。这是因为当样品和二维CCD传感器彼此相对以过高的速度移动时，CCD象素不能够以高分辨率来接收X光。

发明内容

鉴于上述内容而进行本发明。本发明的目标是提供一种X光分析设备，其具有半导体X光检测器诸如二维CCD传感器以及能够高速和高精确度地分析X光。

根据本发明的X光分析设备是一种这样的类型，即X光源所发射的X光被施加到样品并且半导体X光检测装置检测由样品所衍射的X光。该装置包括：

检测器移动装置，用于关于样品而移动半导体X光检测装置以便半导体X光检测装置能够检测X光；以及

电荷转移信号产生装置，用于每次半导体X光检测装置移动的距离相应于构成半导体X光检测装置的象素的宽度时，在半导体X光检测装置中产生一个电荷转移信号。

术语“电荷转移信号”指一种指示电荷被转移的信号。通常，它是一种具有大约1MHz频率的脉冲信号。

在X光分析设备中，通过检测器移动装置而绕着样品来驱动半导体X光检测装置诸如二维CCD传感器。所以半导体X光检测装置能够检测在被样品以不同衍射角度衍射之后传播的X光。因为半导体X光检测器中电荷的转移与半导体X光检测装置的动作同步，半导体X光检测装置的每一象素能够积聚以相同角度衍射的X光的能量。因此，甚至当半导体X光检测装置高速移动时，每一象素能够精确地测量以每一角度衍射的X光的强度。这样能够高速和高灵敏度地实现样品的X光分析。

期望本发明中所使用的半导体X光检测装置是CCD传感器。CCD传感器具有从势阱传输电荷到其他势阱的CCD(电荷耦合器件)。相应于一个势阱的区域是一个象素。以一维模式(也就是在一条线上)或者以二维模式(也就是在一平面上)排列势阱。为了高速和高精确度检测X光，以二维模式排列象素是理想的。

例如在如图6所示的MOS(金属氧化物半导体)结构中提供势阱。MOS结构包括金属电极1，氧化物绝缘层2以及半导体层3。具体而言，当将电压施加到电极1中的一个时，同时将不同电压施加到其他的电极1的时候，形成势阱，这样以特殊的电势来设定位于该电极1下面的层3的一部分，并且以不同的电势来设定层3的其他部分。势阱中所限制的信号电荷经由半导体层3而被转移到输出单元。

使用CCD传感器检测X光的方法是已知的。在该方法中，在CCD传感器和样品之间插入磷光体板。从样品上所显现的X光被施加到磷光体板，磷光体板从被X光照射的部分上发射光。CCD传感器接收光。作为比较，本发明所使用的半导体X光检测装置能够直接检测X光，而不经过磷光体板。另外，半导体X光检测装置产生电子，电子数量与已经接收到的光子能量成比例。

在本发明中，作为半导体X光检测装置而被使用的CCD传感器可以是一维或二维。尽管如此，二维CCD传感器是优选的。可使用多种类型的二维CCD传感器，诸如FT(帧转移)类型、FFT(全帧转移)类型、IT(行中间转移)类型等等。

通过使用术语“水平回扫时间”和“垂直回扫时间”来描述这些二维CCD传感器类型。通常在通过扫描读点来解释读写一帧视频数据的处理中使用这些术语。如图7所示，水平回扫期间是读点从一水平扫描线S_H移动到下一水平扫描线S_H的时间。垂直回扫期间是一垂直扫描到下一垂直扫描之间的时间。换句话说，在该期间，读点从一帧的结束点P_E移动到下一帧的起始点P_s。

如图3所示，FT类型的二维CCD传感器具有光接收单元6、电荷积聚单元7、水平移位寄存器8以及输出单元9。光接收单元6是垂直移位寄存器。电荷积聚单元7也是垂直移位寄存器。垂直移位寄存器也被称为“并行寄存器”。水平移位寄存器也被称为“串行寄存器”或“读寄存器”。光接收单元6具有与电极1(参见图6)相同类型的金属电极。该金属电极使用透明导电材料诸如多晶硅来制作。

当光经由金属电极1而被施加到半导体层3时，执行光电转换，产生信号电荷。该信号电荷积聚在位于电极1下面的势阱中。在垂直回扫时间，也就是，在一垂直扫描和下一垂直扫描之间的期间，以帧为单位高速地将信号电荷转移到电荷积聚单元7。所以，在FT类型的CCD传感器中，作为垂直移位寄存器的光接收单元6在信号积聚期间起到光电转换器的作用。通过光接收单元6而进行光电转换，这样积聚信号，在水平回扫期间，也就是在一水平扫描到下一水平扫描之间的期间，信号电荷以线为单位从电荷积聚单元7转移到水平移位寄存器8。

如图4所示，FFT类型的二维CCD传感器基本上具有与图3中FT类型CCD传感器相同的配置，但是没有电荷积聚单元7。没有电荷积聚单元7，FFT类型CCD传感器通常在光接收单元6中具有快门机构。在FFT类型CCD传感器中，在信号积聚期间，电荷积聚在光接收单元6的势阱(也就是象素)中。虽然快门机构保持关闭，但是信号电荷经由水平移位寄存器8而转移到输出单元9。如果不具有电荷积聚单元的FFT类型CCD传感器具有与FT类型CCD传感器相同的尺寸，那么其具有的象素多于FT类型CCD传感器。作为选择，它的光接收单元6可以具有较大的区域。

如图5所述，IT类型CCD传感器具有光接收单元6、垂直移位寄存器7、传输门11、水平移位寄存器8以及输出单元9。光接收单元6具有行排列的光电二极管6a。排列垂直移位寄存器7以便将光电二极管6a夹在中间。在一行光电二极管6a与移位寄存器7之间提供可作为开关来操作的每一传输门11。每一光电二极管6a执行光电转换，产生信号电荷。光电二极管6a所产生的信号电荷积聚在光电二极管6a所提供的耦合电容器中。在垂直回扫期间，信号电荷经由传输门11而从光电二极管6a转移到垂直移位寄存器7。与FT类型CCD传感器(参见图3)不一样，信号电荷同时从光电二极管6a转移到垂直移位寄存器7。所以，在水平回扫期间，以线为单位将信号电荷转移到水平移位寄存器8。最终它们从水平移位寄存器8输出到输出单元9。

本发明的X光分析设备具有θ旋转装置和2θ旋转装置是所希望的。θ旋转装置旋转X光源或样品，从而改变向样品施加X光的角度。2θ旋转装置绕着样品旋转半导体X光检测装置，从而检测由样品所衍射的X光。在该情况中，每次2θ旋转装置移动半导体X光检测装置的距离相应于半导体X光检测装置的每一象素的宽度时，电荷转移信号产生装置将在半导体X光检测装置中产生电荷转移信号。这样配置的分析设备适于通过使用X光衍射来分析晶体结构或类似的样品粉末。

本发明的X光分析设备将具有算术操作装置是所期望的，所述算术操作装置根据半导体X光检测装置输出的信号，算术化地产生表示带状图像的二维衍射图像数据。如图2所示，带状图像是一种二维衍射图像‘K’，图2表示以哪个衍射角(2θ)所衍射的X光从样品中显现并且表示X光是怎样的强度。在该二维衍射图像中，将衍射角度绘制在x轴上(也就是横轴)，并且将施加到样品的X光的光轴(或中轴)以上或以下的位置绘制在y轴(也就是纵轴)。当半导体X光检测装置接收X光时，X光作为在相应2θ位置和在高于或低于光轴的位置的一个点而被绘制在二维衍射图像中。因此，如果一些X光(或很强烈的X光)施加在相同的2θ位置，那么将形成具有高点密度的图像。所以，X光的强度能够根据图像的密度来确定，也就是根据图像的色密度来确定。显示器，特别是诸如CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)之类的彩色显示器可用于显示二维衍射图像。在该情况中，所显示的部分图像具有相应于点密度的不同颜色。这样对于用户来说很容易分析二维衍射图像。

所以通过使用半导体X光检测装置能够获得二维衍射图像。替代地可以通过使用具有存储能量的磷光体层的二维图像检测板而获得二维衍射图像。如果是这种情况中，二维图像检测板在利用X光所衍射的任一部分上存储能量的潜象。当将激光束等等施加到板时，存储能量的潜象的任一部分发射光。可通过光电管等等来检测上述光。然后能够确定有助于形成能量的潜象的任一X光的强度。

在具有二维图像检测板的X光分析设备中，在把板暴露给X光之后必须将激光束等等施加到板，以便确定每一X光的强度。如果在读取板所发射的光时产生误差，那么就不能精确地确定每一X光的强度。相反，在本发明中，半导体X光检测装置获得二维衍射图像，根据该图像，能够高精确度地分析样品。

根据本发明的X光分析设备可以具有算术操作装置，用于根据半导体X光检测装置所输出的信号而算术化地产生衍射剖面数据，另外算术操作装置用于算术化地产生二维衍射图像数据。衍射剖面表示诸如图2所示的衍射剖面‘F’。剖面‘F’是一种指示以哪个衍射角(2θ)所衍射的X光从样品中显现并且指示X光是怎样的强度的图形。在衍射剖面中，在x轴上(也就是横轴)绘制衍射角度(2θ)，并且将施加到样品的X光的光轴以上或以下的位置绘制在y轴(也就是纵轴)。该衍射剖面与具有零维计数器诸如闪烁计数器(SC)的传统X光衍射设备所获得的类型一样。

期望具有算术操作装置的X光分析设备进一步包括一个同时在屏幕上显示二维衍射图像和衍射剖面的显示装置，所述算术操作装置用于算术化地产生二维衍射图像数据并且算术操作装置用于算术化地产生衍射剖面数据。显示装置可以是视频显示装置诸如CRT或LCD，或者是打印装置诸如将图像印刷在记录介质诸如纸张上的打印机。

附图说明

图1是示出了根据本发明的X光分析设备的一个实施例的图形；

图2是说明使用图1所示设备而获得分析实例的图形；

图3是可以被并入图1的装置中的CCD传感器类型的示意性表示；

图4是可以被并入图1的装置中的另一CCD传感器类型的示意性表示；

图5是可以被并入图1的装置中的又一CCD传感器类型的示意性表示；

图6是描述了CCD传感器的一些象素的CCD传感器的剖面图；以及

图7是用于解释CCD传感器功能的图形。

具体实施方式

参考附图来描述本发明的实施例。该实施例是一种X光衍射设备，其是能够用来有效分析粉状样品的一种X光分析装置类型。不用说，本发明不限于该实施例。

图1示出了一种X光衍射装置16，其是根据本发明的一种X光分析装置。X光衍射装置16具有X光产生器19、转换控制缝隙21以及测角仪17。X光产生器19并入有作为X光源的X光焦点18。缝隙21控制从X光产生器19所发射出的X光的转换并且引导X光到样品‘S’。测角仪17是一种确定方向的设备，在该方向上，X光经由转换控制缝隙21而从X光产生器19发射出来。测角仪17具有一个θ旋转单元24和一个2θ旋转单元26。θ旋转单元24支撑样品‘S’。2θ旋转单元26支撑作为半导体X光检测装置使用的二维CCD传感器27。

θ旋转驱动器22驱动θ旋转单元24绕ω轴来旋转样品‘S’。在下文中，样品‘S’的旋转将被称为“θ旋转”。ω轴是一条线，其横过样品‘S’的X光入射面并且垂直于图1的平面而延伸。2θ旋转驱动器23驱动2θ旋转单元26绕ω轴来旋转CCD传感器27。在下文中，CCD传感器27的旋转将被称为“2θ旋转”。以两倍于θ旋转的角速度，在与θ旋转相同的方向上执行2θ旋转。

在该实施例中，二维CCD传感器27是一种如图4所示的FFT类型CCD传感器。如图1所说明那样，由CCD驱动电路28来驱动。CCD驱动电路28执行所谓的TDI(延时积分)以便驱动二维CCD传感器27。

X光衍射设备16具有控制器31。控制器31并入有CPU(中央处理单元)32、存储介质或存储器33、以及传输不同信号的总线34。存储器33是半导体存储器诸如ROM(只读存储器)或RAM(随机存储器)、机械存储器诸如硬盘、CD(Compact Disc，激光唱片)、MO(Magnetic Optical：磁光盘)或其他类型的存储器。X光衍射设备16进一步具有显示器36。显示器36是一视频显示装置诸如CRT或LCD、或者是打印装置诸如打印机。

存储器33包括4个文件37，38，39和41。文件37存储CCD传感器27输出的象素数据。文件38是用于执行X光衍射分析的程序。文件39是用于根据象素数据文件37中所存储象素数据而产生图2所示带状二维衍射图像‘K’的程序。文件41是用于根据文件37所存储的象素数据而产生图2所示衍射剖面‘F’的程序。

X光衍射分析程序38控制θ旋转驱动器22和2θ旋转驱动器23。具体而言，X光衍射分析程序38使驱动器22绕着ω轴来旋转支撑样品‘S’的θ旋转单元24，这样以规定的角速度来旋转样品‘S’。换句话说，θ旋转驱动器22实现样品‘S’的θ旋转。因为样品‘S’经过θ旋转，所以从X光焦点18到样品‘S’所施加的X光的入射角被改变。X光衍射分析程序38控制2θ旋转单元26，该旋转单元以两倍于θ旋转的角速度，并且在与样品‘S’所经过的θ旋转的相同方向上绕着ω轴来旋转CCD传感器27。这样经过旋转，CCD传感器27能够检测由样品‘S’衍射的X光。

样品‘S’可以不进行θ旋转。在该情况中，X光产生器19和转换控制缝隙21绕着ω轴旋转，这样进行θ旋转。同时，CCD传感器27在相反的方向上进行2θ旋转。这样产生的结果与样品‘S’进行θ旋转所获的结果相同。

在本实施例中，X光衍射分析程序38向驱动CCD传感器27的CCD驱动电路28提供指令。这样一来驱动CCD传感器27来执行TDI(延时积分)。为使CCD传感器27执行TDI，X光衍射分析程序38用于以与由2θ旋转驱动器23执行2θ旋转的CCD传感器27的角速度相同的速度来传输CCD传感器27中的电荷。

现在，将解释TDI。在假设使用图4的FFT类型CCD传感器的基础上执行TDI。在图4所示的箭头‘A’的方向上以恒定的速度‘V’移动CCD传感器。用于转移CCD传感器中电荷的脉冲信号具有频率‘f’。假设电荷在箭头‘B’的方向上，也就是与CCD传感器移动的箭头‘A’方向相反的方向上移动。CCD传感器的象素具有宽度‘d’。电荷的转移与CCD传感器的动作同步，这样建立了以下等式：

v＝f×d

从图4能够看出，当CCD传感器27在箭头‘A’的方向上以速度‘V’移动时，‘M’列的第一列的输入(也就是最右边列)经历1/f时间而移动到第二列上。同时，第一列的电荷转移到第二列。这样依靠光电变换而将电荷积聚在第二列。重复这些操作顺序直到电荷到达最后一列(也就是第‘M’列)。结果，在该期间，可以基聚的信号电荷是利用不使用TDI的一般电荷转移所可能积聚的信号电荷的‘M’倍。这样所积聚的信号电荷以列为单位，从CCD传感器所提供的水平移位寄存器8中持续地输出。这样信号电荷输出表示二维图像。基于此而能够理解，TDI有助于检测弱衍射的X光。

如图1所示，在根据本实施例的配置如上的X光分析设备中，样品‘S’在开始X光衍射分析时进行θ旋转。同时，CCD传感器27进行2θ旋转。此外，X光焦点18施加X光到样品‘S’。随着θ旋转的进行施加到样品‘S’的X光的入射角改变，可以有满足衍射的布拉格条件(Bragg Condition)的时刻。在该时刻，被衍射的X光从样品‘S’上显现。被衍射的X光以一个特定的衍射角度(2θ)而进行传播。图4所示CCD传感器27的光接收单元6中所提供的象素中的一个接收被衍射的X光。一旦接收到X光，该象素产生电荷，其积聚在CCD传感器27中。

CCD传感器27执行TDI并且随着其2θ旋转而同步转移电荷。所以，涉及相同衍射角度(2θ)的信号电荷积聚在一个象素并且然后再积聚在下一象素。即使CCD传感器27高速移动，其也能够经常存储关于象素中被衍射的X光的正确数据。这样存储在每一象素中的信号电荷以列为单位，从光接收单元6转移到水平移位寄存器8。然后电荷经由输出单元9而存储在图1所示的象素数据文件37。当图1所示的CCD传感器27在一个期望的衍射角度范围内例如20°-100°上完成扫描样品‘S’时，停止数据的获取。这样，表示在衍射角度范围内所衍射的X光的强度的数据被存储在象素数据文件37。

CPU32执行存储在图1所示的文件39中的程序，根据所获得的象素数据37而产生(也就是算术化地产生)表示二维衍射图像‘K’的数据。另外，CPU32执行图1所示的衍射剖面产生程序41，根据所获得的象素数据37而产生(也就是算术化地产生)图2所示的衍射剖面‘F’。只要有必要，通过图1所示的显示器36，将所产生的二维衍射图像‘K’和衍射剖面‘F’作为图像或字符而在屏幕上显示。显示器36可以在其屏幕上显示图像‘K’或剖面‘P’或同时显示两者。如果图像‘K’和剖面‘F’都被显示的话，那么观察者能够比较它们。那么，观察者就能够准确快速地分析样品‘S’。

构成图2所示二维衍射图像‘K’的衍射图像数据项D1，D2，D3，…分别相应于波形(即衍射剖面‘F’)的波峰P1，P2，P3，….例如，数据项D1的图像密度表示被检测的X光的强度。例如，波峰P1的高度也表示被检测的X光的强度。图1所示的CPU32能够产生二维衍射图像‘K’(图2)，其中衍射数据项D1，D2，D3…具有不同的颜色，每一数据项表示一个特定的X光强度。

(变形例)

图1所示的具有二维CCD传感器27的X光衍射设备16能够获得诸如图2所示的衍射剖面‘F’和二维衍射图像‘K’。然而，当CCD传感器27的象素接收到样品‘S’所衍射的非常强烈的X光时，就能量角度来讲，CCD传感器27的象素可能会饱和。如果象素饱和，那么设备16不能够获得有关被衍射的X光的准确数据。在该情况，CCD传感器27快速移动，降低了被衍射的X光的测量等级。这样能够防止象素的饱和。然而，该方法会减少检测低强度的X光的灵敏度。

为防止接收高强度X光的象素的饱和以及检测低强度X光的灵敏度的减少，希望CCD传感器27快速并且多次移动，从而获得许多关于每一象素的数据项。例如，CCD传感器27移动两次或三次，每一次以20 °-100 °的衍射角度来扫面样品‘S’，从而生成关于每一像素的两个或三个数据项。这种扫描样品‘S’的方式不仅能够避免失败地检测弱衍射X光，而且能够扩展动态范围，也就是检测X光的范围。如果提高CCD传感器27的移动速度，那么产生具有成比例的高频率的信号以便转移CCD传感器27中的信号电荷。

(其他实施例)

已经描述了本发明的优选实施例。然而，该发明不限于所述实施例。在本发明的范围内能够进行多种修改，本发明的范围通过随后所提出的权利要求来定义的。

例如，如果必要的话，通过任一其他配置的CCD传感器来代替图1所示实施例中所使用的FFT类型的CCD传感器27。虽然上述X光衍射设备16是θ-2θ类型，但是本发明能够应用于任一其他类型的X光衍射设备。而且，本发明能够应用于除X光衍射设备之外的任一X光分析设备。

Claims (7)

1.一种X光分析设备(16)，其中X光源(18)所发射的X光被施加到样品(S)并且半导体X光检测装置(27)检测被样品(S)所衍射的X光，所述设备包括：

检测器移动装置(23，26)，用于关于样品(S)而移动半导体X光检测装置(27)以使得半导体X光检测装置(27)能够检测X光；以及

电荷转移信号产生装置(28)，用于在半导体X光检测装置(27)中产生电荷转移信号，每次半导体X光检测装置(27)移动的距离相应于构成半导体X光检测装置(27)的象素的宽度(d)的距离。

2.根据权利要求1的X光分析设备，其中半导体X光检测装置(27)具有CCD，其是一种用于在半导体中转移积聚在多个势阱中的信号电荷的设备，所述多个势阱在X光接收表面上行列排列并且构成象素。

3.根据权利要求2的X光分析设备，其中半导体X光检测装置(27)具有：

平行移位寄存器(6)，其由X光接收表面上行列排列的象素组成；以及

串行移位寄存器(8)，在该寄存器中，以平行移位寄存器所提供的象素列为单位来转移信号电荷。

4.根据权利要求1至3任一所述的X光分析设备，进一步包括：

θ旋转装置(22，24)，用于旋转X光源(18)或样品(S)，从而改变X光施加到样品(S)的角度；以及

2θ旋转装置(23，26)，用于绕着样品(S)旋转半导体X光检测装置(27)，从而检测由样品(S)所衍射的X光，

其中每次2θ旋转装置(23，26)移动半导体X光检测装置(27)的距离相应于半导体X光检测装置(27)的每一象素的宽度时，电荷转移信号产生装置(28)在半导体X光检测装置(27)中产生电荷转移信号。

5.根据权利要求1至4任一所述的X光分析设备，进一步包括算术操作装置，用于根据半导体X光检测装置(27)输出的信号而算术化地产生表示带状图像的二维衍射图像数据(K)。

6.根据权利要求5的X光分析设备，进一步包括算术操作装置，用于根据半导体X光检测装置(27)输出的信号而算术化地产生衍射剖面数据(F)。

7.根据权利要求6的X光分析设备，进一步包括显示装置(36)，用于同时在屏幕上显示二维衍射图像(K)和衍射剖面(F)。

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