DE112019002822T5

DE112019002822T5 - Wellenlängendispersives röntgenspektrometer

Info

Publication number: DE112019002822T5
Application number: DE112019002822.7T
Authority: DE
Inventors: Wenbing Yun; Janos Kirz; Benjamin Donald Stripe
Original assignee: Sigray Inc
Current assignee: Sigray Inc
Priority date: 2018-06-04
Filing date: 2019-05-30
Publication date: 2021-02-18
Also published as: US20190369272A1; CN112424591A; WO2019236384A1; JP2021526214A; JP7195341B2; CN112424591B; US10845491B2; US10989822B2; US20190369271A1

Abstract

Ein Röntgenspektrometer umfasst mindestens eine Röntgenoptik, die derart konfiguriert ist, dass sie Röntgenstrahlen mit einer einfallenden Intensitätsverteilung als Funktion der Röntgenstrahlenergie empfängt, und mindestens einen Röntgendetektor, der so konfiguriert ist, dass er Röntgenstrahlen von der mindestens einen Röntgenoptik empfängt und eine räumliche Verteilung der Röntgenstrahlen von der mindestens einen Röntgenoptik aufzeichnet. Die mindestens eine Röntgenoptik umfasst mindestens ein Substrat mit mindestens einer Oberfläche, die sich mindestens teilweise um und entlang einer Längsachse erstreckt. Ein Abstand zwischen der mindestens einen Oberfläche und der Längsachse in mindestens einer Querschnittsebene parallel zur Längsachse variiert als Funktion der Position entlang der Längsachse. Die mindestens eine Röntgenoptik umfasst ferner mindestens eine Mosaikkristallstruktur und/oder eine Vielzahl von Schichten auf oder über mindestens einem Teil der mindestens einen Oberfläche. Die Vielzahl von Schichten hat eine erste Vielzahl von ersten Schichten, die ein erstes Material umfassen, und eine zweite Vielzahl von zweiten Schichten, die ein zweites Material umfassen. Die ersten Schichten und die zweiten Schichten wechseln einander in einer Richtung ab, welche senkrecht zu der mindestens einen Oberfläche verläuft.

Description

INANSPRUCHNAHME DER PRIORITÄT
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 4. Juni 2018 eingereichten U.S. provisional application Nr. 62/680,451 und der am 5. Juni 2018 eingereichten U.S. provisional application Nr. 62/680,795 , die beide in ihrer Gesamtheit durch Verweis hierin aufgenommen werden.
HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Der vorliegende Anmeldung betrifft Röntgenspektrometer im Allgemeinen.
Beschreibung des Standes der Technik
Röntgenfluoreszenz (engl. X-rayfluorescence, XRF) kann das Ergebnis von elastischer oder unelastischer Streuung sein, oder eines Übergangs zwischen Energieniveaus in einem Target, das mit Röntgenstrahlen, Elektronen oder anderen Teilchen beschossen wird. Eigenschaften des Röntgenfluoreszenzspektrums können Informationen über die chemische Zusammensetzung und Einblicke in die elektronische Struktur und/oder den chemischen Zustand des Targetmaterials liefern. Röntgenfluoreszenzspektren werden oft durch Vergleich mit theoretischen Berechnungen oder durch Vergleich mit bekannten Röntgenemissionsspektren von Modellmaterialien analysiert. Röntgenfluoreszenzspektren werden typischerweise über einen großen Winkelbereich emittiert, sodass das Röntgenspektrometer eine große Winkelakzeptanz haben kann, um einen größeren Anteil der Emissionsröntgenstrahlen zu empfangen und die Datenerfassung zu beschleunigen.
-Röntgenspektrometer wurden bereits für verschiedene miteinander verwandte Techniken entwickelt. Die Röntgenspektroskopie umfasst Techniken der energiedispersiven Spektroskopie (engl. energy dispersive spectrocopy, EDS), bei der die Energien der emittierten Röntgenstrahlen mit einem energiedispersiven Festkörperdetektor analysiert werden, und der wellenlängendispersiven Spektroskopie (engl. wavelength dispersive spectroscopy, WDS), bei der die emittierten Röntgenstrahlen entweder mit Kristallen oder Beugungsgittern analysiert werden, um die emittierten Röntgenstrahlen zu dispergieren, und wobei mindestens ein Röntgendetektor (z.B. Linear- oder Flächendetektoren) zur Aufnahme des Röntgenemissionsspektrums verwendet wird. WDS bietet im Allgemeinen eine höhere Energieauflösung als EDS. Zudem wird das Spektrum in WDS oft nacheinander aufgezeichnet, zu einem Zeitpunkt jeweils eine Wellenlänge (oder Energie), wodurch diese Technik zeitaufwendiger ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In einem Aspekt der Erfindung wird ein Röntgenspektrometer bereitgestellt, wobei das Röntgenspektrometer mindestens eine Röntgenoptik, welche dafür konfiguriert ist Röntgenstrahlen mit einer einfallenden Intensitätsverteilung als Funktion der Röntgenstrahlenergie zu empfangen, und mindestens einen Röntgendetektor umfasst, welcher dafür konfiguriert ist, Röntgenstrahlen von der mindestens einen Röntgenoptik zu empfangen und eine räumliche Verteilung der Röntgenstrahlen von der mindestens einen Röntgenoptik aufzuzeichnen. Die mindestens eine Röntgenoptik umfasst mindestens ein Substrat, das mindestens eine Oberfläche umfasst, die sich mindestens teilweise um und entlang einer Längsachse erstreckt. Der Abstand zwischen der mindestens einen Oberfläche und der Längsachse in mindestens einer zur Längsachse parallelen Querschnittsebene in Abhängigkeit von der Position entlang der Längsachse variiert. Die mindestens eine Röntgenoptik umfasst ferner mindestens eine Mosaikkristallstruktur und/oder eine Vielzahl von Schichten auf oder über mindestens einem Teil der mindestens einen Oberfläche. Die Vielzahl von Schichten umfasst eine erste Vielzahl von ersten Schichten, die ein erstes Material umfassen, und eine zweite Vielzahl von zweiten Schichten, die ein zweites Material umfassen. Die ersten Schichten und die zweiten Schichten wechseln einander in einer Richtung senkrecht zu der mindestens einen Oberfläche.
In einem weiteren Aspekt wird ein Röntgenspektrometer bereitgestellt, wobei das Röntgenspektrometer einen Mehrschichtstapel umfasst, welche dafür konfiguriert ist, Röntgenstrahlen mit einer einfallenden Intensitätsverteilung als Funktion der Röntgenenergie zu empfangen. Der Mehrschichtstapel umfasst eine erste Vielzahl von ersten Schichten, die ein erstes Material umfassen, und eine zweite Vielzahl von zweiten Schichten, die ein zweites Material umfassen. Die ersten Schichten und die zweiten Schichten wechseln einander ab. Ein erster Teil des Mehrschichtstapels ist dafür konfiguriert einen ersten Teil der empfangenen Röntgenstrahlen zu richten, und ein zweiter Teil des Mehrschichtstapels ist dafür konfiguriert einen zweiten Teil der empfangenen Röntgenstrahlen zu richten, wobei der zweite Teil des Mehrschichtstapels seitlich vom ersten Teil des Mehrschichtstapels versetzt vorliegt. Der gerichtete erste Teil der empfangenen Röntgenstrahlen weist eine erste Intensitätsverteilung als Funktion der Röntgenstrahlenergie auf und der gerichtete zweite Teil der empfangenen Röntgenstrahlen weist eine zweite Intensitätsverteilung als Funktion der Röntgenstrahlenergie auf, wobei sich die zweite Intensitätsverteilung von der ersten Intensitätsverteilung unterscheidet. Das Röntgenspektrometer umfasst ferner mindestens einen Röntgendetektor, der dafür konfiguriert den gerichteten ersten Teil und den gerichteten zweiten Teil der empfangenen Röntgenstrahlen von der mindestens einen Röntgenoptik zu empfangen und eine räumliche Verteilung des gerichteten ersten Teils und des gerichteten zweiten Teils der empfangenen Röntgenstrahlen von dem Mehrschichtstapel aufzuzeichnen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung wird ein Röntgenspektrometer bereitgestellt, wobei das Röntgenspektrometer mindestens eine Röntgenoptik umfasst, welche dafür konfiguriert ist, Röntgenstrahlen mit einer spektralen Bandbreite von mehr als 100 eV zu empfangen. Die mindestens eine Röntgenoptik umfasst mindestens eine Oberfläche, die sich mindestens teilweise um und entlang einer Längsachse erstreckt, und eine Vielzahl von Schichten auf oder über mindestens einem Teil der mindestens einen Oberfläche. Die mindestens eine Röntgenoptik ist dafür konfiguriert, die empfangenen Röntgenstrahlen zu beugen und eine räumliche Trennung der empfangenen Röntgenstrahlen als Funktion der Röntgenstrahlenergie für mindestens einen Teil der spektralen Bandbreite der empfangenen Röntgenstrahlen gemäß der Bragg-Beziehung zu bewirken. Das Röntgenspektrometer umfasst ferner mindestens einen Röntgendetektor, der dafür konfiguriert ist, eine räumliche Verteilung von mindestens einem Teil der von der mindestens einen -Röntgenoptik gebeugten Röntgenstrahlen aufzuzeichnen.
Figurenliste

1A-1C zeigen schematisch Querschnittsansichten verschiedener Konfigurationen eines beispielhaften Röntgenspektrometers in Übereinstimmung mit bestimmten hier beschriebenen Ausführungsformen.
1D zeigt schematisch ein beispielhaftes Röntgenspektrum der empfangenen Röntgenstrahlen und zwei beispielhafte Röntgenspektren für Röntgenstrahlen von einer Röntgenoptik gemäß bestimmter hier beschriebenen Ausführungsformen.
2A-2B, 3A-3C, 4A-4D und 5A-5B zeigen beispielhaft berechnete Röntgenspektren, welche durch ausgewählte Mehrschichtparameter in Übereinstimmung mit bestimmten hier beschriebenen Ausführungsformen erhalten wurden.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bestimmte hier beschriebene Ausführungsformen stellen ein wellenlängendispersives Röntgenspektrometer mit paralleler Erfassung von Röntgenstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen bereit. In bestimmten dieser Ausführungsformen ist das Röntgenspektrometer derart konfiguriert, dass es gleichzeitig ein ganzes Röntgenspektrum oder ein Spektralsegment umfassend einen Bereich von Röntgenenergien, von den vom Röntgenspektrometer empfangenen Röntgenstrahlen aufzeichnet.
1A-1C zeigen schematisch Querschnittsansichten verschiedener Konfigurationen eines beispielhaften Röntgenspektrometers 100 in Übereinstimmung mit bestimmten hier beschriebenen Ausführungsformen. Wie in 1A schematisch dargestellt, umfasst das Röntgenspektrometer 100 mindestens eine Röntgenoptik 110, die derart konfiguriert ist, dass sie Röntgenstrahlen 10 mit einer einfallenden Intensitätsverteilung als Funktion der Röntgenenergie (z.B. ein einfallendes Röntgenenergiespektrum) empfängt. Die mindestens eine Röntgenoptik 110 umfasst mindestens ein Substrat 112 mit mindestens einer Oberfläche 114, die sich mindestens teilweise um und entlang einer Längsachse 120 erstreckt. Der Abstand zwischen der mindestens einen Oberfläche 114 und der Längsachse 120 in mindestens einer zur Längsachse 120 parallelen Querschnittsebene variiert in Abhängigkeit von der Position entlang der Längsachse 120. Die mindestens eine Röntgenoptik 110 umfasst ferner mindestens eine Mosaikkristallstruktur und/oder eine Vielzahl von Schichten 116 auf oder über mindestens einem Teil der mindestens einen Oberfläche 114. Die Vielzahl von Schichten 116 umfasst eine erste Vielzahl von ersten Schichten 116a, die ein erstes Material umfassen, und eine zweite Vielzahl von zweiten Schichten 116b, die ein zweites Material umfassen, wobei die ersten Schichten 116a und die zweiten Schichten 116b in einer Richtung senkrecht zu der mindestens einen Oberfläche 114 einander abwechseln. Das Röntgenspektrometer 100 umfasst ferner mindestens einen Röntgendetektor 130, der derart konfiguriert ist, dass er Röntgenstrahlen 20 von (z.B. reflektiert von; gebeugt von) der mindestens einen Röntgenoptik 110 empfängt und eine räumliche Verteilung der Röntgenstrahlen 20 von der mindestens einen Röntgenoptik 110 aufzeichnet. Die Querschnittsansichten der 1A-1C liegen in einer Querschnittsebene, die parallel zur Längsachse 120 verläuft (z.B. die Querschnittsebene schließt die Längsachse 120 ein).
In bestimmten Ausführungsformen umfasst das mindestens eine Substrat 112 (z.B. aus Glas oder Siliziumoxid) ein einziges, einheitlichen Element. Beispielsweise kann das Substrat 112 eine hohle axialsymmetrische Struktur (z.B. ein axialsymmetrisches Rohr) umfassen, die sich entlang der Längsachse 120 erstreckt, und die mindestens eine Oberfläche 114 umfasst eine Innenfläche der Struktur, welche sich vollständig um die Längsachse 120 erstreckt (z.B. die Längsachse 120 umgibt; sich 360 Grad um die Längsachse 120 erstreckt). In bestimmten anderen Ausführungsformen umfasst das mindestens eine Substrat 112 mindestens einen Teil einer hohlen axialsymmetrischen Struktur (z.B. einen Teil eines axialsymmetrischen Rohrs), welche sich entlang der Längsachse 120 erstreckt, mit einer Innenfläche, die sich nur teilweise um die Längsachse 120 erstreckt (z.B. weniger als 360 Grad; in einem Bereich von 45 Grad bis 360 Grad; in einem Bereich von 45 Grad bis 315 Grad; in einem Bereich von 180 Grad bis 360 Grad; in einem Bereich von 90 Grad bis 270 Grad). In bestimmten Ausführungsformen besteht das mindestens eine Substrat 112 aus mehreren Substratabschnitten (z.B. 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr), die voneinander getrennt sind (z.B. mit Zwischenräumen zwischen den Substratabschnitten) und um die Längsachse 120 verteilt sind, wobei sich die Oberfläche 114 jedes Substratabschnitts zumindest teilweise um und entlang der Längsachse 120 erstreckt. Zum Beispiel können sich die Oberflächen 114 der mehreren Substratabschnitte jeweils um die Längsachse 120 um einen Winkel in einem Bereich von 15 Grad bis 175 Grad, in einem Bereich von 30 Grad bis 115 Grad und/oder in einem Bereich von 45 Grad bis 85 Grad um die Längsachse 120 erstrecken.
In bestimmten Ausführungsformen variiert der Abstand zwischen der mindestens einen Oberfläche 114 und der Längsachse 120 (z.B. in einer Querschnittsebene parallel zur und einschließlich der Längsachse 120) in Abhängigkeit von der Position entlang der Längsachse 120. Die Oberfläche 114 kann z.B. eine Innenfläche einer hohlen axialsymmetrischen Struktur (z.B. einem Rohr) mit einem Innendurchmesser umfassen, der in Abhängigkeit von der Position entlang der Längsachse 120 variiert.
Zum Beispiel kann, wie schematisch in 1A dargestellt, mindestens ein Teil der mindestens einen Oberfläche 114 ein im Wesentlichen gerades Querschnittsprofil in einer Ebene aufweisen, welche die Längsachse 120 umfasst, wobei der Teil der mindestens einen Oberfläche 114 einen ersten Innendurchmesser an einer ersten Position entlang der Längsachse 120 und einen zweiten Innendurchmesser an einer zweiten Position entlang der Längsachse 120 aufweist, wobei der zweite Innendurchmesser kleiner als der erste Innendurchmesser ist (z.B. kann die mindestens eine Röntgenoptik 110 konisch oder kegelförmig ausgestaltet sein).
Für ein anderes Beispiel kann die mindestens eine Oberfläche 114 in mindestens einer Querschnittsebene parallel zur Längsachse 120 gekrümmt sein (z.B. in einer Querschnittsebene, welche die Längsachse 120 einschließt). In bestimmten solchen Ausführungsformen ist die mindestens eine Oberfläche 114 konkav und eine Flächennormale 118 der mindestens einen Oberfläche 114 (z.B. in einer Richtung senkrecht zu der mindestens einen Oberfläche 114) ist an verschiedenen Orten entlang der mindestens einen Oberfläche 114 unterschiedlich orientiert (z.B. an verschiedene Orten, die in einer Richtung entlang der Längsachse 120 in der Querschnittsebene parallel zur Längsachse 120 voneinander beabstandet sind). Wie zum Beispiel schematisch durch die 1B und 1C dargestellt, weist ein erster Teil der mindestens einen Oberfläche 114 eine erste Flächennormale 118a auf und ein zweiter Teil der mindestens einen Oberfläche 114 eine zweite Flächennormale 118b. Wie hier beschrieben, haben die Röntgenstrahlen 20 aus der mindestens einen Mosaikkristallstruktur und/oder die Vielzahl der Schichten 116 auf dem ersten, zweiten und dritten Teil der mindestens einen Oberfläche 114 (z.B. Röntgenstrahlen 20a, 20b, 20c) unterschiedliche spektrale Eigenschaften und breiten sich in verschiedene Richtungen aus, wie schematisch durch 1A dargestellt.
In bestimmten Ausführungsformen hat die mindestens eine Oberfläche 14 eine erste lineare Abmessung (z.B. Länge) parallel zur Längsachse 120 in einem Bereich von 3 mm bis 150 mm, eine zweite lineare Abmessung (z.B. Breite) senkrecht zur ersten linearen Abmessung in einem Bereich von 1 mm bis 50 mm und eine maximale lineare Abmessung (z.B. einen Innendurchmesser; eine maximale Länge eines geraden Liniensegments, welches zwei Punkte auf der Oberfläche 114 verbindet) in einem Bereich von 1 mm bis 50 mm in einer Ebene senkrecht zur Längsachse 120, eine Oberflächenrauhigkeit in einem Bereich von 0,1 nm bis 1 nm und/oder eine Vielzahl von Oberflächentangentialebenen mit einem Bereich von Winkeln relativ zur Längsachse 120 in einem Bereich von 0,01 rad bis 0,5 rad (z.B. in einem Bereich von 0,01 rad bis 0,4 rad; in einem Bereich von 0,01 rad bis 0,3 rad).
In bestimmten Ausführungsformen ist die mindestens eine Oberfläche 114 konkav und mindestens ein Teil der Oberfläche 114 weist einen Teil eines quadratischen Profils in einer Querschnittsebene auf, welche die Längsachse 120 umfasst. In bestimmten Ausführungsformen umfasst die mindestens eine Oberfläche 114 mehrere Abschnitte mit Querschnittsprofilen (z.B. in einer Querschnittsebene, welche die Längsachse 120 umfasst), die entsprechende quadratische Profile aufweisen. Beispiele für quadratische Profile, die mit bestimmten hier beschriebenen Ausführungsformen kompatibel sind, umfassen ohne Beschränkung: mindestens ein Ellipsoid; mindestens ein Paraboloid; mindestens ein Hyperboloid; oder eine Kombination zweier oder mehrere dieser.
Zum Beispiel zeigt in Übereinstimmung mit bestimmten hier beschriebenen Ausführungsformen 1B schematisch eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Röntgenspektrometers 100, bei dem die Oberfläche 114 einen Teil eines ellipsoidischen Profils in einer Querschnittsebene aufweist, welche die Längsachse 120 umfasst. Wie schematisch in 1B dargestellt, ist die Röntgenquelle 150 (z.B. eine Probe, welche Röntgenfluoreszenzstrahlen aussendet) in einem ersten Fokus 160 des Ellipsoidprofils positioniert, und die Röntgenstrahlen 20 von der Oberfläche 114 umfassen ein konvergentes Röntgenstrahlenbündel, welches auf einen zweiten Fokus 162 des Ellipsoidprofils gerichtet ist und von dem mindestens einen Röntgendetektor 130 empfangen wird, der vom zweiten Fokus 162 entfernt positioniert vorliegt. In bestimmten solchen Ausführungsformen kann das Röntgenspektrometer 100 ferner eine Apertur (nicht gezeigt) aufweisen, die zwischen der mindestens einen Oberfläche 114 und dem mindestens einen Röntgendetektor 130 (z.B. am oder nahe dem zweiten Fokus 162) angeordnet ist. Die Apertur kann eine Dimension haben, die zwischen 20% und 300% der Strahlgröße des Röntgenstrahls an der Position der Apertur beträgt. Als weiteres Beispiel zeigt in Übereinstimmung mit bestimmten hier beschriebenen Ausführungsformen 1C schematisch eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Röntgenspektrometers 100, bei dem die Oberfläche 114 einen Teil eines parabolischen Profils in einer Querschnittsebene aufweist, welche die Längsachse 120 umfasst. Wie schematisch in 1C dargestellt, wird die Röntgenquelle 150 (z.B. eine Probe, die Röntgenfluoreszenzstrahlung aussendet) im Fokus 170 des parabolischen Profils positioniert und die Röntgenstrahlen 20 werden kollimiert und von dem mindestens einen Röntgendetektor 130 empfangen.
In bestimmten Ausführungsformen besteht die Vielzahl der Schichten 116 auf oder über mindestens einem Teil der mindestens einen Oberfläche 114 aus einer Vielzahl von synthetischen Mehrfachschichten (z.B. ein Mehrschichtstapel; ein Stapel von Schichten 116a, 116b, die nacheinander auf die Oberfläche 114 und übereinander aufgebracht wurden, wobei die Schichten 116a, 116b ausgewählte Materialien und ausgewählte Dicken aufweisen). In bestimmten Ausführungsformen werden die ersten Schichten 116a und/oder die zweiten Schichten 116b durch mindestens eines der folgenden Verfahren gebildet: Atomlagenabscheidung (engl. atomic layer deposition, ALD), chemische Dampfabscheidung (engl. chemical-vapor deposition, CVD), Kathodenzerstäubung oder eine Kombination zweier oder mehrerer dieser.
Jede der Vielzahl von Schichten 116 bestimmter Ausführungsformen weist eine Dicke in einem Bereich von 0,3 nm bis 9 nm auf (z. B. in einem Bereich von 0,3 nm bis 6 nm), und die Gesamtdicke der Vielzahl von Schichten 116 bestimmter Ausführungsformen beträgt weniger als 1000 nm (z. B. weniger als 400 nm). Beispielsweise kann die Vielzahl der Schichten 116 eine Anzahl von Schichten umfassen, die größer als 10 und kleiner als 100.000, größer als 10 und kleiner als 10.000 und/oder größer als 10 und kleiner als 500 ist (z.B. die Anzahl der ersten Schichten 116a ist größer als 5 und kleiner als 50.000, größer als 5 und kleiner als 5.000 und/oder größer als 5 und kleiner als 250; die Anzahl der zweiten Schichten 116b ist größer als 5 und kleiner als 50.000, größer als 5 und kleiner als 5.000 und/oder größer als 5 und kleiner als 250).
In bestimmten Ausführungsformen sind die Vielzahl von Schichten 116 in mehreren Gruppen (z.B. Paaren) von Schichten nebeneinander und übereinander angeordnet, wobei die Periode des Mehrschichtstapels (z.B. Abstand zwischen äquivalenten Positionen zweier benachbarter Gruppen) in einem Bereich von 1 nm bis 20 nm (z.B. in einem Bereich von 1 nm bis 9 nm) liegt. In bestimmten Ausführungsformen sind die Schichtdicken innerhalb einer Schichtgruppe untereinander gleich, während sich in anderen Ausführungsformen die Schichtdicken innerhalb einer Schichtgruppe sich von voneinander unterscheiden.
Zum Beispiel kann für eine periodische Vielzahl von Schichten 116 umfassend Paare von Schichten 116a, 116b, welche einander überlagern (z.B. ein Mehrschichtstapel), jede der ersten Schichten 116a eine erste Dicke (d1) aufweisen, jede der zweiten Schichten 116b eine zweite Dicke (d2) aufweisen, und die ersten Schichten 116a und die zweiten Schichten 116b können einander mit einer Periodizität abwechseln (z.B. in einer Richtung entlang der Flächennormalen 118 der mindestens einen Oberfläche 114). Die Periodizität des Mehrschichtstapels kann gleich der Summe der Schichtdicke 116a (d1) und der Schichtdicke 116b (d2) sein. Die Dicken der Schichten 116a, 116b können untereinander gleich sein (z.B. d1 = d2) oder die Dicken der Schichten 116a können sich voneinander unterscheiden (z.B. d1 / d2 in einem Bereich von 0,1 bis 3, in einem Bereich von 0,1 bis 0,9 oder in einem Bereich von 0,2 bis 0,9).
In bestimmten Ausführungsformen ändert sich die Periodizität in der Vielzahl der Schichten 116 nicht, während sich die Periodizität in bestimmten anderen Ausführungsformen in mindestens einer Richtung ändert. Beispielsweise ist die Vielzahl der Schichten 116 bestimmter Ausführungsformen mit unterschiedlichen d-Abständen (z.B. Mehrschichtstapelperioden) in einer Richtung senkrecht zur mindestens einen Oberfläche 114 abgestuft (z.B. eine Richtung entlang der Flächennormalen 118 der mindestens einen Oberfläche 114) (z.B. ist die Vielzahl der Schichten 116 tiefenabgestuft). Die Vielzahl der Schichten 116 bestimmter anderer Ausführungsformen ist mit unterschiedlichen d-Abständen (z.B. Mehrschichtstapelperioden) entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche 114 abgestuft (z.B. eine Richtung allgemein entlang der Längsachse; eine Richtung senkrecht zur Flächennormalen 118 der Oberfläche 114) (z.B. die Vielzahl der Schichten 116 ist seitlich abgestuft).
In bestimmten Ausführungsformen umfasst das erste Material der ersten Schichten 116a ein erstes Element mit einer ersten Ordnungszahl (z.B. ein Element mit niedriger Z-Zahl mit einer Ordnungszahl kleiner oder gleich 15) und einer ersten Elektronendichte und das zweite Material der zweiten Schichten 116b ein zweites Element mit einer zweiten Ordnungszahl (z.B. ein Element mit hoher Z-Zahl mit einer Ordnungszahl größer oder gleich 14) und einer zweiten Elektronendichte, wobei die zweite Ordnungszahl größer als die erste Ordnungszahl und/oder die zweite Elektronendichte größer als die erste Elektronendichte ist. Beispiele für das erste Element sind unter anderem: Silizium, Bor und Kohlenstoff. Beispiele für das zweite Element sind unter anderem: Chrom, Molybdän und Platin. In bestimmten Ausführungsformen ist der Massendichteunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Material größer oder gleich 1 g/cm3.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst die mindestens eine Mosaikkristallstruktur eine oder mehrere Mosaikgraphitkristallstrukturen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, hochorientierten pyrolytischen Graphit (engl. highly ordered pyrolytic graphite, HOPG), hochgeglühten pyrolytischen Graphit (engl. highly annealed pyrolytic graphite, HAPG) oder eine Kombination dieser. In bestimmten Ausführungsformen hat die mindestens eine Mosaikkristallstruktur eine Dicke in einem Bereich von 5 Mikrometer bis 100 Mikrometer (z.B. 10 Mikrometer bis 100 Mikrometer) und weist eine Mosaizität (z.B. Mosaikausbreitung) in einem Bereich von 0,05 Grad bis 1 Grad auf (z.B. 0,1 Grad bis 1 Grad).
In bestimmten Ausführungsformen ist mindestens eine Mosaikkristallstruktur und/oder die Vielzahl der Schichten 116 dafür konfiguriert Röntgenspektren mit einer vorbestimmten Intensitätsverteilung als Funktion der Röntgenenergie zu liefern, indem sie eine spektrale Modifikation der empfangenen Röntgenstrahlen 10 bewirken, welche auf die mindestens eine Röntgenoptik 110 einfallen und von dieser gerichtet bzw. gelenkt werden, und die spektrale Modifikation ist abhängig von der Position entlang der mindestens einen Röntgenoptik 110, an der die empfangenen Röntgenstrahlen 10 auf die mindestens eine Röntgenoptik 110 einfallen. Wie zum Beispiel schematisch in 1A dargestellt, trifft mindestens ein erster Teil 10a der empfangenen Röntgenstrahlen 10 auf einen ersten Teil der Röntgenoptik 110 an einem ersten Satz von Orten auf, und die Röntgenstrahlen 20a breiten sich in einer oder mehreren entsprechenden Richtungen aus und treffen auf den mindestens einen Röntgendetektor 130 an entsprechenden einer oder mehreren Positionen 132a auf. Zusätzlich trifft mindestens ein zweiter Teil 10b der empfangenen Röntgenstrahlen 10 auf einen zweiten Teil der Röntgenoptik 110 an einem zweiten Satz von Orten und die Röntgenstrahlen 20b breiten sich in einer oder mehreren entsprechenden Richtungen aus und treffen auf den mindestens einen Röntgendetektor 130 an einer oder mehreren entsprechenden Positionen 132b.
In Übereinstimmung mit bestimmten hier beschriebenen Ausführungsformen zeigt 1D schematisch ein beispielhaftes Röntgenspektrum 200 (durchgezogene Linie) der empfangenen Röntgenstrahlen 10, die auf die mindestens eine Röntgenoptik 110 des beispielhaften Röntgenspektrometers 100 der 1A-1C einfallen. 1D zeigt auch schematisch ein Beispiel für ein erstes Röntgenspektrum 210a (gestrichelte Linie) für die Röntgenstrahlen 20 von einem ersten Ort entlang der mindestens einen Röntgenoptik 110 und ein Beispiel für ein zweites Röntgenspektrum 210b (gepunktete Linie) für die Röntgenstrahlen 20 von einem zweiten Ort entlang der mindestens einen Röntgenoptik 110. Der erste und der zweite Ort sind in einer Richtung entlang der Längsachse 120 gegeneinander verschoben. Die beiden Röntgenspektren 210a, 210b sind in in der 1D weder zum Röntgenspektrum 200 noch zueinander maßstabsgerecht dargestellt. In bestimmten Ausführungsformen liegen die beiden Peaks der beiden Röntgenspektren 210a, 210b innerhalb von 1 keV voneinander entfernt. Während 1D zwei beispielhafte Röntgenspektren 210a, 210b für Röntgenstrahlen 20 von zwei verschiedenen Orten entlang der mindestens einen Röntgenoptik 110 schematisch darstellt, ergibt sich eine kontinuierliche Verschiebung der Energie des Röntgenspektrums 210 während der Ort, von dem aus die Röntgenstrahlen 20 gerichtet werden, sich entlang der mindestens einen Röntgenoptik 110 verschiebt.
Das einfallende Röntgenspektrum 200 weist eine einfallende Intensitätsverteilung als Funktion der Röntgenstrahlenergie auf, und jedes der ersten und zweiten Röntgenspektren 210a, 210b weist eine entsprechende erste bzw. zweite Intensitätsverteilung als Funktion der Röntgenstrahlenergie auf, wobei jede der ersten und zweiten Intensitätsverteilungen von der einfallenden Intensitätsverteilung und voneinander verschieden sind. Wie schematisch zum Beispiel in 1D dargestellt, hat das beispielhafte einfallende Röntgenspektrums 200 der einfallenden empfangenen Röntgenstrahlung 10 (z.B. entsprechend der emittierten Röntgenstrahlung von einem elektronenbeschossenen Röntgentarget) wesentliche Intensitätswerte über einen breiten Bereich von Röntgenenergien (z.B. in einem Bereich von 0,5 keV bis 25 keV), sowie charakteristische K_α und K_β Emissionslinien, während jedes der beispielhaften ersten und zweiten Röntgenspektren 210a, 210b der Röntgenstrahlen 20 einen Peak mit einem substantiellen Intensitätswert bei einer bestimmten entsprechenden Röntgenstrahlenergie und viel niedrigere Intensitätswerte bei anderen Röntgenenergien aufweist. In bestimmten Ausführungsformen liegt die Energiebandbreite der Röntgenstrahlen 20 in einem Bereich von 100 eV bis 5 keV.
Zum Beispiel weist die mindestens eine Röntgenoptik 110, welche in 1B schematisch dargestellt ist, einen Teil der mindestens einen Oberfläche 114 auf, welche ein Querschnittsprofil besitzt, welches einem Teil eines Ellipsoids entspricht. In bestimmten Ausführungsformen trifft zumindest ein Teil der von der Röntgenquelle 150 emittierten Röntgenstrahlen (z.B. Punktquelle; Emitter von Röntgenfluoreszenzstrahlung; eine divergierende Röntgenquelle) auf die mindestens eine Röntgenoptik 110 (z.B. die empfangenen Röntgenstrahlen 10) und weist dabei einen Bereich von Röntgenenergien und eine isotrope räumliche Verteilung auf. Wie in 1B gezeigt, treffen die empfangenen Röntgenstrahlen 10a, 10b auf entsprechende Teile der mindestens einen Röntgenoptik 110 unter den Winkeln θ_α bzw. θ_b ein, relativ zu einer Ebene senkrecht zur Flächennormalen 118a, 118b der Teile der Oberfläche 114, die unter den entsprechenden Teilen der Vielzahl von Schichten 116 liegen. Die mindestens eine Mosaikkristallstruktur und/oder die Vielzahl der Schichten 116 ist derart konfiguriert, dass ein hohes Reflexionsvermögen erhalten wird (z.B. sind Beugungsbedingungen erfüllt), wenn die Bragg-Beziehung (2d sin θ = n λ) erfüllt ist, wobei d die Periode der mindestens einen Mosaikkristallstruktur oder der Vielzahl der Schichten 116, θ der Winkel, λ die Röntgenwellenlänge und n eine ganze Zahl (z.B. 1, 2, ...) ist. In der Beispielausführung von 1B ist die Wellenlänge der Röntgenstrahlen 20a kürzer als die Wellenlänge der Röntgenstrahlen 20b (z.B. welche von einer Position stammen, welche hinter (stromabwärts) der Position liegt, von der aus die Röntgenstrahlen 20a gerichtet sind), und dementsprechend ist die Energie der Röntgenstrahlen 20a höher als die Energie der Röntgenstrahlen 20b. Hinter dem zweiten Fokus 162 des Ellipsoidprofils sind die Röntgenstrahlen 20a und 20b räumlich voneinander getrennt. Die Platzierung mindestens eines Röntgendetektors 130 mit ausreichender räumlicher Auflösung an einer Position stromabwärts des Fokus 162 ermöglicht eine Spektroskopie der Röntgenstrahlen 20, welche von der mindestens einen Röntgenoptik 110 empfangen werden.
Als ein weiteres Beispiel, weist die mindestens eine Röntgenoptik 110, welche in 1C schematisch dargestellt ist, mindestens eine Mosaikkristallstruktur und/oder die Vielzahl der Schichten 116 auf einem Teil der mindestens einen Oberfläche 114 auf, welche ein Querschnittsprofil aufweist, das einem Teil eines Paraboloids entspricht. In dieser Ausführungsform werden die empfangenen Röntgenstrahlen 10 (z.B. von einer Punktquelle oder einem Röntgenfluoreszenzstrahler emittiert; eine divergierende Röntgenquelle) von der mindestens einen Röntgenoptik 110 gerichtet bzw. gelenkt und die Röntgenstrahlen 20 parallel zur Längsachse 120 kollimiert. Gerichtete Röntgenstrahlen 20a mit höheren Energien und kleineren Ablenkwinkeln sind weiter von der Längsachse 120 entfernt, während gerichtete Röntgenstrahlen 20b (z.B. von einer Position, die stromaufwärts von der Position liegt, von der aus die Röntgenstrahlen 20a gerichtet werden) mit niedrigeren Energien und größeren Ablenkwinkeln näher an der Längsachse 120 liegen. Die Röntgenstrahlen 20a und 20b sind räumlich voneinander getrennt, und die Anordnung eines Röntgendetektors 130 mit ausreichender räumlicher Auflösung an einer Position stromabwärts von der mindestens einen Röntgenoptik 110 ermöglicht die Spektroskopie der Röntgenstrahlen von der mindestens einen Röntgenoptik 110. Als ein weiteres Beispiel, weist die in 1A schematisch dargestellte mindestens eine Röntgenoptik 110 mindestens eine Mosaikkristallstruktur und/oder die Vielzahl der Schichten 116 auf einem Teil der mindestens einen Oberfläche 114 auf, die ein im wesentlichen gerades Querschnittsprofil in einer Ebene besitzt, welche die Längsachse 120 umfasst. In dieser Ausführungsform ist die Energie der Röntgenstrahlen 20a höher als die Energie der Röntgenstrahlen 20b, und die Röntgenstrahlen 20a treffen auf den mindestens einen Röntgendetektor 130 an Positionen 132a auf, welche weiter von der Längsachse 120 entfernt sind, als die Positionen 132b, an denen die Röntgenstrahlen 20b auf den mindestens einen Röntgendetektor 130 auftreffen-.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst der mindestens eine Röntgendetektor 130 einen Pixel-Array-Röntgendetektor, der dafür konfiguriert ist eine räumliche Verteilung von mindestens einem Teil der Röntgenstrahlen 20 aufzuzeichnen, welche von der mindestens einen Röntgenoptik 110 empfangen werden. Zum Beispiel kann der Pixel-Array-Röntgendetektor eindimensional sein (z.B. sich entlang einer Dimension erstrecken; sich entlang einer Richtung senkrecht zur Längsachse 120 erstrecken) oder zweidimensional (z.B. sich entlang zweier orthogonaler Dimensionen erstrecken; sich entlang zweier Richtungen erstrecken, die zueinander und zur Längsachse 120 senkrecht sind), mit Pixelgrößen in einem Bereich von 1 Mikrometer bis 200 Mikrometer (z.B. in einem Bereich von 2 Mikrometer bis 200 Mikrometer; in einem Bereich von 3 Mikrometer bis 200 Mikrometer). Beispielhafte Röntgendetektoren 130, die mit bestimmten hier beschriebenen Ausführungsformen kompatibel sind, umfassen unter anderem: CCD-Detektor bzw. Direktdetektion ladungsgekoppeltes Bauelement (engl. direct-detection charge coupled device, CCD) Detektor, CMOS-Detektor bzw. komplementären Metalloxid-Halbleiter (engl. complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS) Detektor, einen energieauflösender Röntgendetektor, einen indirekter Umwandlungsdetektor umfassend einen Röntgenszintillator, Photonenzählungsdetektor.
In bestimmten Ausführungsformen ist eine Energieauflösung des Röntgenspektrometers 100 zumindest teilweise von den räumlichen Verschiebungen der Positionen 132, an denen die Röntgenstrahlen 20 auf den mindestens einen Röntgendetektor 130 auftreffen, und von den Größen der Pixel des Pixel-Array-Röntgendetektors 130 abhängig. Diese räumlichen Verschiebungen der Positionen 132 werden mit den Energien der Röntgenstrahlen 10 durch die Bragg-Beziehung (2d sin θ = nλ = nhc/E) in Beziehung gesetzt, welche die verschiedenen Winkel θ der einfallenden Röntgenstrahlen 10 (z.B. aufgrund der Krümmung der mindestens einen Oberfläche 114) und die d-Abstände der mindestens einen Mosaikkristallstruktur (z.B. Abstand zwischen benachbarten Atomschichten innerhalb der Mosaikgraphitkristallstrukturen) und/oder der Vielzahl der Schichten 116 (z.B. der Periode des Mehrschichtstapels) zur Röntgenwellenlänge λ und der Röntgenenergie E. Wie zum Beispiel in 1A-1C dargestellt, resultiert der Bereich der Streifwinkel für die einfallenden Röntgenstrahlen 10, die über die mindestens eine Röntgenoptik 110 einfallen, in einen Bereich von Trajektorien der Röntgenstrahlen 20, die auf den mindestens einen Röntgendetektor 130 über einen Bereich von Positionen 132 auftreffen. Somit entspricht die räumliche Auflösung des mindestens einen Röntgendetektors 130 (z.B. die Größe der Pixel) einer Energieauflösung des Röntgenspektrometers 100 (z.B. werden kleinere Pixel jeweils von Röntgenstrahlen 20 in einem kleineren Energiebereich getroffen, während größere Pixel jeweils von Röntgenstrahlen 20 in einem größeren Energiebereich getroffen werden). In bestimmten Ausführungsformen werden die Abstände zwischen den Vielzahl von Schichten (z.B. d-Abstände), die Krümmung der mindestens einen Oberfläche 114, der Abstand zwischen der mindestens einen Röntgenoptik 110 und dem mindestens einen Röntgendetektor 130 und/oder die räumliche Auflösung des Röntgendetektors 130 (z.B. die Pixelgrößen) so gewählt, dass eine vorgegebene Energieauflösung (z.B. weniger als 50 eV) erreicht wird. In bestimmten Ausführungsformen ist die mindestens eine Röntgenoptik 110 derart konfiguriert, dass verschiedene Röntgenenergiebereiche der Röntgenstrahlen 20 auf entsprechend verschiedene Bereiche 132 des mindestens einen Röntgendetektors 130 gerichtet sind, so dass die räumlichen Positionen der verschiedenen Bereiche 132 den Röntgenstrahlen innerhalb der verschiedenen Röntgenenergiebereiche entsprechen (z.B. und zur Unterscheidung zwischen ihnen verwendet werden können). Zum Beispiel werden die Pixelgrößen des Pixel-Array-Röntgendetektors 130 und der Abstand zwischen der Röntgenoptik 110 und dem Pixel-Array-Röntgendetektor 130 derart gewählt, dass das von der Röntgenoptik 110 gestreute Röntgenspektrum mit ausreichender Energieauflösung gemäß der Bragg-Beziehung aufgezeichnet wird.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst der mindestens eine Röntgendetektor 130 einen energieauflösenden Röntgendetektor, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Silizium-Drift-Detektor, einem Kolorimeter auf Supraleiter-Basis, einem Lithium-Drift-Silizium-Detektor, einem Lithium-Drift-Germanium-Detektor und einer pin-Diode. Zusätzlich zu den oben beschriebenen Abhängigkeiten der Energieauflösung des Röntgenspektrometers 100 kann die Energieauflösung bestimmter solcher Ausführungsformen auch zumindest teilweise von der Energieauflösung jedes der Detektorelemente (z.B. Pixel) des energieauflösenden Röntgendetektors abhängig sein.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Röntgenspektrometer 100 ferner mindestens eine Strahlblende 140, die derart konfiguriert ist, dass sie im Röntgenstrahlengang angeordnet werden kann, um Röntgenstrahlen, die sich entlang der Längsachse 120 ausbreiten, aber die Vielzahl von Schichten 116 der mindestens einen Röntgenoptik 110 nicht bestrahlen, daran zu hindern, den mindestens einen Röntgendetektor 130 zu erreichen (z.B. zu unterbrechen; zu stoppen). Die mindestens eine Strahlblende 140 bestimmter Ausführungsformen definiert einen Kegelwinkel (z.B. weniger als 3 Grad; weniger als 50 mrad), der um die Längsachse 120 zentriert ist. Die mindestens eine Strahlenblende 140 kann an der Austrittsseite der mindestens einen Röntgenoptik 110 (siehe z.B. 1A) und/oder an der Eintrittsseite der mindestens einen Röntgenoptik 110 positioniert werden. Zum Beispiel kann die mindestens eine Strahlenblende 140 durch dünne strahlförmige Drähte, die mechanisch an eine Stützstruktur gekoppelt sind, oder durch eine dünne Membran in Position gehalten werden.
In bestimmten Ausführungsformen wird die Vielzahl der Schichten 116 auf einem Substrat 112 (z.B. aus Glas oder Siliziumoxid) gebildet (z.B. abgeschieden) umfassend mindestens eine Oberfläche 114. In bestimmten anderen Ausführungsformen besteht die mindestens eine Röntgenoptik 110 aus einem Mehrschichtstapel (z.B. aus einer Vielzahl von Schichten 116 mit abwechselnd ersten Schichten 116a und zweiten Schichten 116b) auf einem Substrat 112, das ein metallisches Material (z.B. Nickel) umfasst. Zum Beispiel können eine oder mehrere der Schichten aus der Vielzahl von Schichten 116 auf (z.B. über) einer konvexen Außenfläche eines Metalldorns abgeschieden werden, dessen Außenfläche derart geformt ist, dass diese als Dorn für die Abscheidung einer Beschichtung dient, die den Mehrschichtstapel umfasst (z.B. unter Verwendung von Techniken wie Atomlagenabscheidung (engl. atomic layer deposition, ALD), chemische Dampfabscheidung (engl. chemical vapour deposition, CVD), Sputtern usw.). Zum Beispiel kann die Außenseite des Dorns das gewünschte Profil eines Teils eines vorbestimmten quadratischen Profils haben (z.B. Paraboloid; Ellipsoid; Hyperboloid) und der abgeschiedene Mehrschichtstapel wird das gleiche quadratische Profil haben. Nach Zugabe von ausreichend Material (z.B. Ni) auf dem abgeschiedenen Mehrschichtstapel, um eine ausreichende Steifigkeit zu erreichen, kann der Dorn dann entfernt werden (z.B. weggeätzt; mit flüssigem Stickstoff gekühlt, um die Trennung des Dorns vom Mehrschichtstapel zu erleichtern), um die axialsymmetrischen Mehrschichten als Innenfläche der Röntgenoptik 110 freizulegen. In bestimmten solchen Ausführungsformen kann die Röntgenoptik 110 vollständig aus den Mehrschichtmaterialien bestehen.
2A-2B, 3A-3C, 4A-4D und 5A-5B zeigen berechnete beispielhafte-Röntgenspektren, die durch ausgewählte Mehrschicht-Stapelparameter in Übereinstimmung mit bestimmten hier beschriebenen Ausführungsformen erhalten wurden. 2A-2B entsprechen einer Vielzahl (N=40) von Silizium/Molybdän-Mehrschichten, wobei der Mehrschichtstapel eine Periode von 3 nm aufweist. 3A-3C entsprechen einer Vielzahl (N=40) von Silizium/Molybdän-Mehrschichten, wobei der Mehrschichtenstapel eine Periode von 4,5 nm aufweist. 4A-4B entsprechen einer Vielzahl (N=40) von Borcarbid (B₄C)/Platin-Mehrschichten, wobei der Mehrschichtenstapel eine Periode von 4,5 nm aufweist, und 4C-4D entsprechen einer Vielzahl (N=40) von Borcarbid (B₄C)/Platin-Mehrschichten, wobei der Mehrschichtenstapel eine Periode von 6 nm aufweist und 5A-5B entsprechen einer Vielzahl (N=40) von Borcarbid (B₄C)/Molybdän-Mehrschichten, wobei der Mehrschichtstapel eine Periode von 6 nm aufweist.

Die folgenden Tabellen zeigen berechnete Werte der spektralen Abdeckung verschiedener beispielhafter Röntgenspektrometer 100 in Übereinstimmung mit bestimmten hier beschriebenen Ausführungsformen. Die Oberfläche 114 (z.B. Spiegel) dieser beispielhaften Röntgenspektrometer 100 ist ellipsoid, was für einen großen Quelle-zu-Optik-Abstand (z.B. Probenabstand) eine gute Annäherung an ein Paraboloid-Profil darstellt, und die Berechnungen wurden für verschiedene Eintrittsaperturen und periodische Mehrschicht-d-Abstände (z.B. Perioden der Mehrschichtstapel) durchgeführt. Für jede dieser Berechnungen ist die Ellipsoid-Halbhauptachse gleich der Hälfte des Abstands zwischen Quelle und Probe. Tabelle 1: Beispielkonfigurationen

	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3	Beispiel 4	Beispiel 5	Beispiel 6
Quellen-Demagnifikationsfaktor	13000	20000	13000	20000	13000	20000
Abstand zwischen Quelle und Probe (Meter)	500	500	500	500	500	500
Ellipsoid-Halbkugelachse (mm)	40	50	120	150	80	100
Länge des Spiegels (mm)	40	30	40	30	40	30
Arbeitsabstand (mm)	25.1	15.0	25.1	15.0	25.1	15.0
Innendurchmesser der Eintrittsöffnung (mm)	1.83	1.90	5.48	5.69	3.65	3.79
Innendurchmesser der Austrittsöffnung (mm)	1.13	1.10	3.40	3.29	2.27	2.19
Bruchteil des Verlustes durch Austrittsöffnung	0.39	0.33	0.39	0.33	0.39	0.33
Strahlquerschnitt, welcher von der Linse unterbrochen wird (mm²)	1.61	1.88	14.47	16.95	6.43	7.54
Streifwinkel am vorderen Ende des Spiegels (mrad)	7.01	10.54	21.03	31.62	14.02	21.08
Streifwinkel bei 2/3 Spiegellänge vom stromaufwärtigen Ende (mrad)	9.12	14.14	27.37	42.43	18.24	28.29
Streifwinkel am spiegelabwärtigen Ende (mrad)	11.29	18.26	33.86	54.78	22.57	36.52

Tabelle 2: Vergleich der Beispiele 1 und 2 für verschiedene Mehrschichtstapel-Perioden an drei Positionen: (i) am spiegelnden stromaufwärtigen Ende, (ii) an 2/3 der Spiegellänge vom stromaufwärtigen Ende und (iii) am spiegelnden stromabwärtigen Ende.

Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 1	Beispiel 2
Minimale Energie aus 3 nm Mehrschich tperiode	Minimale Energie aus 3 nm Mehrschicht periode	Minimale Energie aus 4 nm Mehrschicht periode	Minimale Energie aus 4 nm Mehrschicht periode	Minimale Energie aus 6 nm Mehrschicht periode	Minimale Energie aus 6 nm Mehrschicht periode
29.48354	19.60614	22.11265	14.70461	14.74177	9.803072
22.65559	14.61281	16.99169	10.95961	11.32779	7.306405
18.31217	11.31896	13.73412	8.489219	9.156083	5.659479

Tabelle 3: Vergleich der Beispiele 3 und 4 für verschiedene mehrschichtige Stapelperioden an drei Positionen: (i) am stromaufwärtigen Ende des Spiegels, (ii) an 2/3 der Spiegellänge vom stromaufwärtigen Ende und (iii) am stromabwärtigen Ende des Spiegels.

Beispiel 3	Beispiel 4	Beispiel 3	Beispiel 4	Beispiel 3	Beispiel 4
Minimale Energie aus 3 nm Mehrschich tperiode	Minimale Energie aus 3 nm Mehrschicht periode	Minimale Energie aus 4 nm Mehrschicht periode	Minimale Energie aus 4 nm Mehrschicht periode	Minimale Energie aus 6 nm Mehrschicht periode	Minimale Energie aus 6 nm Mehrs chi cht periode
9.827845	6.535381	7.370884	4.901536	4.913923	32.67691
7.551863	4.870937	5.663897	3.653202	3.775932	24.35468
6.104055	3.772986	4.578041	2.82974	3.052028	18.86493

Tabelle 4: Vergleich der Beispiele 5 und 6 für verschiedene mehrschichtige Stapelperioden an drei Positionen: (i) am stromaufwärtigen Ende des Spiegels, (ii) an 2/3 der Spiegellänge vom stromaufwärtigen Ende und (iii) am stromabwärtigen Ende des Spiegels.

Beispiel 5	Beispiel 6	Beispiel 5	Beispiel 6	Beispiel 5	Beispiel 6
Minimale Energie aus 3 nm Mehrschich tperiode	Minimale Energie aus 3 nm Mehrschicht periode	Minimale Energie aus 4 nm Mehrschicht periode	Minimale Energie aus 4 nm Mehrschicht periode	Minimale Energie aus 6 nm Mehrschicht periode	Minimale Energie aus 6 nm Mehrschicht periode
14.74177	9.803072	11.05633	7.352304	7.370884	4.901536
11.32779	7.306405	8.495846	5.479804	5.663897	3.653202
9.156083	5.659479	6.867062	4.244609	4.578041	2.82974

In bestimmten Ausführungsformen ist das Röntgenspektrometer 100 für einen Arbeitsbereich von 0,5 keV bis 4 keV konfiguriert, während in bestimmten anderen Ausführungsformen der Arbeitsbereich nach unten bis zu 0,2 keV und/oder nach oben bis zu 14 keV reicht. Solche Röntgenenergiebereiche können unter Verwendung von Mehrschichtbeschichtungen mit hohem Wirkungsgrad und hoher Energieauflösung erreicht werden, wobei geeignete Materialien, Dicken und anderen Parameter der Mehrschichtbeschichtungen in Übereinstimmung mit bestimmten hier beschriebenen Ausführungsformen anhand der offenbarten Informationen eindeutig bestimmt werden können.
In bestimmten Ausführungsformen ist das Röntgenspektrometer 100 eine Komponente eines Röntgenanalysesystems, das eine Anregungsquelle für Strahlung und/oder Partikel umfasst (z. B. eine Röntgenquelle, die derart konfiguriert ist, dass sie Röntgenstrahlen emittiert; eine Elektronenquelle, die derart konfiguriert ist, dass sie Elektronen emittiert; eine Laboranregungsquelle), die eine Probe (z. B. ein zu analysierendes Objekt) beleuchtet. In bestimmten Ausführungsformen umfasst die Anregungsquelle ein optisches System (z.B. zusätzliche Röntgenoptik; Elektronenoptik), das zwischen der Anregungsquelle und der Probe angeordnet ist, um die Strahlung und/oder Partikel auf die Probe zu lenken und/oder zu fokussieren. Die Probe ist derart konfiguriert, dass sie als Reaktion auf die Anregung Röntgenstrahlen (z.B. Röntgenfluoreszenzstrahlen) aussendet, und die emittierten Röntgenstrahlen werden vom Röntgenspektrometer 100 empfangen, detektiert und analysiert. In bestimmten Ausführungsformen steht das Röntgenspektrometer 100 in operativeer Kommunikation mit einem Rasterelektronenmikroskop (engl. scanning electron microsope, SEM) (z.B. als Zubehör zum SEM) und ist derart konfiguriert, dass es Röntgenstrahlen empfängt, die von einer Probe im SEM emittiert werden (z.B. Röntgenstrahlen, die durch den Elektronenbeschuss der Probe im SEM erzeugt werden). In bestimmten derartigen Ausführungsformen ist das Röntgenspektrometer 100 derart konfiguriert, dass es eine Energieauflösung (z.B. durch Auflösen oder Trennen) der charakteristischen Linien weicher Röntgenfluoreszenzstrahlen verschiedener Elemente ermöglicht, die nahe beieinander liegen oder einander überlappen können.
In bestimmten Ausführungsformen ist das Röntgenanalysesystem ferner derart konfiguriert, dass es die Röntgenenergie für jedes Pixel des Pixelarrays kalibriert (z.B. durch Empfang der von einer Röntgenquelle mit bekanntem Röntgenspektrum emittierten Röntgenstrahlen). Beispielsweise kann das Röntgenspektrometer 100 derart konfiguriert werden, dass es die von der Röntgenquelle emittierten Röntgenstrahlen 10 empfängt und mindestens einen Teil der empfangenen Röntgenstrahlen auf den mindestens einen Röntgendetektor 130 richtet.
Es sei angemerkt, dass die hier offengelegten Ausführungsformen sich nicht gegenseitig ausschließen und in verschiedenen Formen miteinander kombiniert werden können.
Die hier beschriebene und beanspruchte Erfindung soll in ihrem Umfang nicht durch die hier offengelegten konkreten beispielhaften Ausführungsführen beschränkt werden, da diese Ausführungsformen zur Illustrationen mehrerer Aspekte der Erfindung gedacht sind, und nicht zu deren Einschränkung. Alle gleichwirkenden und gleichwertigen Ausführungsbeispiele sollen in den Anwendungsbereich dieser Erfindung fallen. In der Tat werden für den Fachmann, zusätzlich zu den hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen, werden aus der vorstehenden Beschreibung verschiedene Abwandlungen der Erfindung in Form und Detail ersichtlich. Der Umfang und die Schutzbreite der Erfindung sollte durch keine der hier offengelegten beispielhaften Ausführungsformen eingeschränkt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/680451 [0001]
US 62/680795 [0001]

Claims

Ein Röntgenspektrometer umfassend: mindestens eine Röntgenoptik, welche zum Empfangen von Röntgenstrahlen mit einer einfallenden Intensitätsverteilung als Funktion der Röntgenstrahlenergie konfiguriert ist, wobei die mindestens eine Röntgenoptik umfasst: mindestens ein Substrat umfassend mindestens eine Oberfläche, welche sich mindestens teilweise um und entlang einer Längsachse erstreckt, wobei ein Abstand zwischen der mindestens einen Oberfläche und der Längsachse in mindestens einer zur Längsachse parallelen Querschnittsebene in Abhängigkeit von der Position entlang der Längsachse variiert; und mindestens eine Mosaikkristallstruktur und/oder eine Vielzahl von Schichten auf oder über mindestens einem Teil der mindestens einen Oberfläche, wobei die Vielzahl von Schichten eine erste Vielzahl von ersten Schichten umfassend ein erstes Material und eine zweite Vielzahl von zweiten Schichten umfassend ein zweites Material umfasst, wobei die ersten Schichten und die zweiten Schichten sich einander in einer Richtung senkrecht zu der mindestens einen Oberfläche abwechseln; und mindestens einen Röntgendetektor, welcher zum Empfang von Röntgenstrahlen von der mindestens einen Röntgenoptik konfiguriert ist und eine räumliche Verteilung der Röntgenstrahlen von der mindestens einen Röntgenoptik aufzeichnet.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 1, wobei ein erster Teil der mindestens einen Röntgenoptik dafür konfiguriert ist, einen ersten Teil der empfangenen Röntgenstrahlen auf den mindestens einen Röntgendetektor zu richten, ein zweiter Teil der mindestens einen Röntgenoptik dafür eingerichtet ist, einen zweiten Teil der empfangenen Röntgenstrahlen auf den mindestens einen Röntgendetektor zu richten, der zweite Teil der mindestens einen Röntgenoptik, gegenüber dem ersten Teil der mindestens einen Röntgenoptik entlang einer Richtung parallel zur Längsachse versetzt ist, wobei der gerichtete erste Teil der empfangenen Röntgenstrahlen eine erste Intensitätsverteilung als Funktion der Röntgenstrahlenenergie aufweist, der gerichtete zweite Teil der empfangenen Röntgenstrahlen eine zweite Intensitätsverteilung als Funktion der Röntgenstrahlenenergie aufweist und wobei die zweite Intensitätsverteilung sich von der ersten Intensitätsverteilung unterscheidet.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 2, wobei sich die empfangenen Röntgenstrahlen entlang mindestens einer Richtung mit einer von Null verschiedenen Komponente parallel zur Längsachse ausbreiten, wobei der erste Teil der empfangenen Röntgenstrahlen auf den ersten Teil der mindestens einen Röntgenoptik unter einem ersten streifenden Einfallswinkel auftrifft, während der zweite Teil der empfangenen Röntgenstrahlen auf den zweiten Teil der mindestens einen Röntgenoptik unter einem zweiten streifenden Einfallswinkel auftrifft, welcher sich von dem ersten streifenden Einfallswinkel unterscheidet.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 2, wobei der gerichtete erste Teil der empfangenen Röntgenstrahlen sich zu einem ersten Teil des mindestens einen Röntgendetektors ausbreitet und der gerichtete zweite Teil der empfangenen Röntgenstrahlen sich zu einem zweiten Teil des mindestens einen Röntgendetektors ausbreitet, wobei der zweite Teil des mindestens einen Röntgendetektors gegenüber dem ersten Teil des mindestens einen Röntgendetektors räumlich versetzt vorliegt.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Röntgenoptik dafür konfiguriert ist, Röntgenstrahlen innerhalb verschiedener Röntgenenergiebereiche auf entsprechende verschiedene Bereiche des mindestens einen Röntgendetektors zu richten, sodass räumliche Positionen der verschiedenen Bereiche zu Röntgenstrahlen innerhalb verschiedener Röntgenenergiebereiche korrespondieren.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 1, wobei sich die mindestens eine Oberfläche der mindestens einen Röntgenoptik um die Längsachse in einem Winkel erstreckt, welcher in einem Bereich von 45 Grad bis 315 Grad liegt.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Oberfläche eine Länge parallel zur Längsachse in einem Bereich von 3 mm bis 150 mm, eine Breite senkrecht zur Länge in einem Bereich von 1 mm bis 50 mm, einen Innendurchmesser in einer Ebene senkrecht zur Längsachse in einem Bereich von 1 mm bis 50 mm, eine Oberflächenrauhigkeit in einem Bereich von 0,1 nm bis 1 nm und/oder eine Vielzahl von Oberflächentangentialebenen mit einem Bereich von Winkeln relativ zur Längsachse in einem Bereich von 0,01 rad bis 0,4 rad aufweist.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil der mindestens einen Oberfläche konkav ist und in mindestens einer Querschnittsebene parallel zur Längsachse gekrümmt ist, wobei mindestens ein Teil der Oberfläche in der Querschnittsebene ein quadratisches Profil aufweist.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 8, wobei das quadratische Profil ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem Ellipsoid; mindestens einem Paraboloid; mindestens einem Hyperboloid; oder einer Kombination zweier oder mehrerer dieser.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 1, wobei jede Schicht der Vielzahl von Schichten eine Dicke in einem Bereich von 0,3 nm bis 9 nm aufweist.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 1, wobei sich die ersten Schichten und die zweiten Schichten mit einer Periodizität abwechseln, welche sich in der Vielzahl der Schichten nicht ändert.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 1, wobei das erste Material der Vielzahl von Schichten mindestens eines der folgenden umfasst: Silizium, Bor und Kohlenstoff, und das zweite Material der Vielzahl von Schichten mindestens eines der folgenden umfasst: Chrom, Molybdän und Platin.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Röntgendetektor einen Pixel-Array-Röntgendetektor umfasst.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 13, wobei der Pixel-Array-Röntgendetektor ein Pixel-Array umfasst, welches sich entlang einer Dimension erstreckt.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 13, wobei der Pixel-Array-Röntgendetektor ein Pixel-Array umfasst, welches sich entlang zweier orthogonaler Dimensionen erstreckt.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 13, wobei der Pixelarray-Röntgendetektor mindestens eines der folgenden umfasst: einen Direktdetektion ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD) Detektor; einen komplementären Metalloxid-Halbleiter (CMOS) Detektor; einen energieauflösenden Röntgendetektor; einen indirekten Umwandlungsdetektor umfassend einen Röntgenszintillator; einen Photonenzählungsdetektor.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 13, wobei der Pixel-Array-Röntgendetektor Pixel mit Breiten in einem Bereich von 1 Mikrometer bis 200 Mikrometer umfasst.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 1, ferner umfassend mindestens eine Strahlblende, die dafür konfiguriert ist zu verhindern, dass Röntgenstrahlen den mindestens einen Röntgendetektor erreichen, die sich entlang der Längsachse ausbreiten, aber nicht die mindestens eine Röntgenoptik bestrahlen.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Mosaikkristallstruktur eine oder mehrere Mosaikgraphitkristallstrukturen umfasst, die aus der Gruppe ausgewählt sind bestehend aus: hochorientiertem pyrolytischem Graphit; hochgeglühtem pyrolytischem Graphit; einer Kombination dieser.
Ein Röntgenspektrometer umfassend: einen Mehrschichtstapel, welcher zum Empfangen von Röntgenstrahlen mit einer einfallenden Intensitätsverteilung als Funktion der Röntgenstrahlenergie konfiguriert ist, wobei der Mehrschichtstapel eine erste Vielzahl von ersten Schichten umfassend ein erstes Material und eine zweite Vielzahl von zweiten Schichten umfassend ein zweites Material umfasst, wobei die ersten Schichten und die zweiten Schichten einander abwechseln, wobei ein erster Teil des Mehrschichtstapels dafür konfiguriert ist, einen ersten Teil der empfangenen Röntgenstrahlen zu richten, ein zweiten Teil des Mehrschichtstapels dafür konfiguriert ist, einen zweiten Teil der empfangenen Röntgenstrahlen zu richten, wobei der zweite Teil des Mehrschichtstapels gegenüber dem ersten Teil des Mehrschichtstapels seitlich versetzt vorliegt, wobei der gerichtete erste Teil der empfangenen Röntgenstrahlen eine erste Intensitätsverteilung als Funktion der Röntgenstrahlenergie aufweist, wobei der gerichtete zweite Teil der empfangenen Röntgenstrahlen eine zweite Intensitätsverteilung als Funktion der Röntgenstrahlenergie aufweist und wobei sich die zweite Intensitätsverteilung von der ersten Intensitätsverteilung unterscheidet; und mindestens einen Röntgendetektor, welcher dafür konfiguriert ist, den gerichteten ersten Teil und den gerichteten zweiten Teil der von der mindestens einen Röntgenoptik empfangenen Röntgenstrahlen zu empfangen und eine räumliche Verteilung des gerichteten ersten Teils und des gerichteten zweiten Teils der empfangenen Röntgenstrahlen aus dem Mehrschichtstapel aufzuzeichnen.
Ein Röntgenspektrometer umfassend: mindestens eine Röntgenstrahloptik, welche zum Empfang von Röntgenstrahlen mit einer spektralen Bandbreite von mehr als 100 eV konfiguriert ist, wobei die mindestens eine Röntgenstrahloptik mindestens eine Oberfläche umfasst, die sich mindestens teilweise um und entlang einer Längsachse erstreckt, wobei die mindestens eine Röntgenstrahloptik eine Vielzahl von Schichten auf oder über mindestens einem Teil der mindestens einen Oberfläche umfasst, wobei die mindestens eine Röntgenstrahloptik derart konfiguriert ist, dass sie die empfangenen Röntgenstrahlen beugt und eine räumliche Trennung der empfangenen Röntgenstrahlen als Funktion der Röntgenstrahlenenergie für mindestens einen Teil der spektralen Bandbreite der empfangenen Röntgenstrahlen gemäß der Bragg-Beziehung bewirkt; und mindestens einen Röntgendetektor, der derart konfiguriert ist, dass er eine räumliche Verteilung von mindestens einem Teil der von der mindestens einen Röntgenoptik gebeugten Röntgenstrahlen aufzeichnet.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 21, wobei die mindestens eine Oberfläche eine konkave Oberfläche aufweist, welche in einer Ebene parallel zur Längsachse gekrümmt ist.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 22, wobei die konkave Oberfläche mindestens einen Teil aufweist, der axialsymmetrisch um die Längsachse ist.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 22, wobei eine Krümmung der konkaven Oberfläche, Abstände zwischen der Vielzahl von Schichten, ein Abstand zwischen der mindestens einen Röntgenoptik und dem mindestens einen Röntgendetektor und/oder eine räumliche Auflösung des mindestens einen Röntgendetektors dafür konfiguriert sind, eine Energieauflösung von weniger als 50 eV zu liefern.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 21, wobei sich die mindestens eine Oberfläche um die Längsachse in einem Winkel um die Längsachse erstreckt, welcher in einem Bereich von 45 Grad bis 360 Grad liegt.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 21, wobei mindestens ein Teil der mindestens einen Oberfläche ein im Wesentlichen gerades Querschnittsprofil aufweist in einer Ebene parallel zur und einschließlich der Längsachse.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 21, wobei die Vielzahl von Schichten eine erste Vielzahl von ersten Schichten umfassend ein erstes Material und eine zweite Vielzahl von zweiten Schichten umfassend ein zweites Material umfasst, wobei sich die ersten Schichten und die zweiten Schichten miteinander abwechseln.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 27, wobei sich die ersten Schichten und die zweiten Schichten mit einer Periodizität abwechseln, die sich in der Vielzahl der Schichten nicht ändert.
Röntgenspektrometer nach Anspruch 21, wobei die Vielzahl der Schichten eine Mosaikkristallstruktur umfasst, die aus der Gruppe ausgewählt ist bestehend aus: hochorientiertem pyrolytischem Graphit; hochgeglühtem pyrolytischem Graphit; einer Kombination dieser.