JP2011522256A - 高強度ｘ線ビームシステム - Google Patents

Abstract

Ｘ線光学システムは、高強度のＸ線ビームを生成する。システムは、輪郭の幾何学的な対称軸とは異なる軸周辺で定められた前記輪郭を回転させることで形成される光学反射面を含む。従って、システムは、試料上に照射するフラックスを増加させるために、円形の放射プロファイルを有する源又は大きな源を用いることができる。

Description

本発明は、Ｘ線光学システムに関する。

研究者は、試料上に投射するフラックスを増加させるために、Ｘ線回折実験において長く使われた焦点Ｘ線光学系を所有しており、これによりＳＮ比（信号対雑音比）を増加させている。焦点光学系は、源からの多数の光子を導くことによって試料を通じてフラックスを増加させる。更に、検出器を光学系の焦点又は近くに置くことによって、システムの解像度は、非常に改良することができる。

従来のＸ線ビームシステムの強度は、しかしながら、源試料に損傷を与えずに達成することができる源の輝度によって制限される。高フラックスを供給することができる、大きな取込み角を有する楕円光学系又は放物線状の光学系のような、大きな光学系にもかかわらず、Ｘ線ビームの断面と拡散は、完全に利用されるのにあまりに大きな傾向がある。源の輝度を増加させることによってＸ線ビームシステムの性能を改良することは、一般的に制限されるかあまりにも高価である。

上記を鑑み、高強度Ｘ線ビームを出力する改良されたＸ線光学システムの要求がある。

上記要求を満たすために、列挙された欠点と関連技術の他の規制とを解決する本発明は、高強度Ｘ線ビームを出力するＸ線光学システムを提供する。システムは、光学系の幾何学的な対称軸とは異なる回転軸周辺で定められた輪郭を回転させることによって形成される表面を有する光学系を含み、源は円形の放射プロファイルを有する。

軸は、ビーム軸、光学系の幾何学的な輪郭のコード、又は、幾何学的な輪郭のコードに近い線である。光学系は、全反射ミラー、又は、多層コーティングのような機能強化コーティングを有する反射面である。源は、回転陽極またはシールド管Ｘ線生成器である。

更なる特徴及び効果は、以下の説明及び請求項から明らかである。

図１は、本発明によるＸ線光学システムの概略図である。

図２は、図１のＸ線光学システムの光学系の斜視図である。

図３は、本発明による楕円Ｘ線光学システムの概略図である。

図４は、Ｘ線点源のための試料の斜視図である。

図５は、円形回転Ｘ線源のための試料の斜視図である。

図６は、図３の光学系用の回転軸位置の範囲を例示する概略図である。

図７は、凸と凹光学系を例示しているＸ線光学の概略図である。

図８は、光学系の幾何学的な軸とは異なる回転軸を例示する放物線Ｘ線光学システムの概略図である。

図９は、複数エネルギー又は複数波長システムの概略図である。

本発明は、高強度Ｘ線ビームを発生させるＸ線光学システムを提供する。本発明の実施例によれば、図１は、Ｘ線源１２と光学系１４とを含むＸ線光学システム１０を例示する。Ｘ線源１２は、高輝度回転陽極、シールド管Ｘ線発生器又はマイクロフォーカス源のような実験源とすることができる。光学系１４は、多層コーティング、全反射光学系又はＸ線反射型結晶のような機能強化コーティングを有する反射板とすることができる。

動作中に、源１２は、光学系１４に向けてＸ線ビーム１６を放射する。光学系１４は、例えば、Ｘ線ビーム１６を集束又は平行にするために、試料Ｓ上へＸ線ビーム１６を導く光学面２６を含んでいる。光学系１４は、Ｘ線ビーム１６を収束する機能をしており、そのＸ線ビーム１６が試料Ｓ上に導かれることによって、試料Ｓに与えるフラックスの量を増加させる。検出器１８は、試料Ｓを通して、回折され送信されたＸ線ビーム１６からの放射線２２を集光する。検出器１８は、当該検出器１８によって集光された放射線２２に対応して、プロセッサ２０に信号２４を出力する。光学系１４は、Ｘ線ビームの伝播方向において、光学面２６に沿って様々な幾何学的な輪郭を有している。このような輪郭は、楕円、放物線及び双曲線の表面を含む。ただし、他の表面も使用することがある。

光学面２６は、定められた輪郭を回転軸３０周辺で回転させることによって形成される。代表的には、輪郭は、輪郭の幾何学的な対称軸周辺で回転される。しかしながら、記述される実施例では、光学面２６が、輪郭の幾何学的な対称軸とは異なる回転軸３０周辺で回転させることによって形成される。回転軸３０は、小さい断面を有するビームを出力するために選ばれる。このような軸は、ビーム軸３２、幾何学的な輪郭のコード又は幾何学的な輪郭のコードに近い線である。また、回転軸は、輪郭の幾何学的な軸を有する平面にあっても良い。

光学面２６が回転軸３０周辺で回転されることから、光学面２６のプロファイルは、回転軸に対して垂直な横断面において円形である。このように、断面は、表面の幾何学的な軸に垂直ではない。

光学系１４は、特定用途の必要条件に従って、光学系１４に沿って長手方向に様々な幾何学的なプロファイルを有している。特定の実施形態において、光学系１４は、半円形の凹多層焦点/平行光学系であり、また、源１２は、円形の放射プロファイルを有している。他の実施形態において、光学系１４は、完全円形の凸多層焦点/平行光学系である。更に他の実施形態において、光学面は、例えば、ガラス管から引き寄せる制御又は複製技術によって、生じる全反射面である。

システム１０の特有の特徴は、同じビームの発散又は収束を維持している間、増加したフラックスを提供することである。上記の通り、光学系１４の光学面２６は２Ｄ面である。これはまた、表面を意味する３Ｄ面が三次元スペースにあるために参照することができる。光学面２６は、（図１に垂直で図２に３４として示される）「交差」方向に、かつ、「長手」方向にそれが湾曲することによって記述される。長手方向２２に沿った光学面２６は、楕円、放物線又は双曲線のように何れかの幾何学的な面である。交差方向３４における光学面２６は、回転軸３０周辺で長手方向の曲線を回転させることによって形成される。

従来のシステムにおいては、回転軸３０が楕円曲線の２つの焦点により定められる場合には楕円の表面であり、又は、軸３０が放物線状の対称軸により定められる場合には放物線状の表面である。しかしながら、表面２６は、目的とされるビーム軸３２に対して同等か近い軸３０周辺で、長手方向の曲線（または輪郭）を回転することによって形成される。このように、従来の楕円／放物線状の表面を有する大きなリングを発生するよりも、回転軸３０がビーム軸３２である場合には、光学系１４が小さなリング、半円形リング、または、円形のビームを供給する。Ｘ線ビーム１６の特定形状は、回転軸３０と輪郭との相対的な関係で決まる。

光学系１４は、凹面、凸面、又は、凹面及び凸面の組合せを有する。光学系１４が凹面である場合には表面の多くは、（回転軸があるところに従って）完全な閉曲面ではない。光学系が凸面である場合には、２π面が形成される。源１２は、円形又は部分的に円形のプロファイルを有している。部分的な円形の源（又は完全な円形の源）プロファイルの直径は、光学設計で決まる。光学系が凹面と凸面の組合せである場合には、他の部分が半円形π面である間、一方の部分は２π面である。

楕円面３２６を有する光学系３１４を利用しているシステム３１０は、図３で示される。楕円システムにおいて、Ｘ線源３１２の基点は、検出器が楕円３４４の２つ目の焦点３４２又はその付近に位置する間、楕円の１つの焦点３４０にある。システムは、幾何学的な軸３５０とは異なる回転軸３３０を有している。回転軸３３０は、輪郭の幾何学的な対称軸３５０周辺で回転される表面を有する光学系を用いた特有なシステムを通過する。（回転軸３３０は幾何学的な軸３５０と同様である） 楕円面３２６である場合には、幾何学的な対称軸３５０は、２つの焦点３４０,３４２の間を通過する。この幾何学は、点源に似せて機能させるＸ線源を用いて特に穴をあける。

しかしながら、点源は、発生されるユニット領域ごとに、電源の量に制限される。これは図４において更に例示される。代表的なＸ線点光源４１０は、点光源４１６として現れる非常に浅い角度４１８で見られる試料４１４に、ライン４１２を生成する。 しかしながら、源の輝度を増加させるためには、より多くのエネルギーを領域に投射させなければならない。試料４１４に投射される電子によって生成される許容可能な熱が制限されることから、点源よりも広域を使用することができる光学システムを作り出すのに役立つ。例えば、円形の放射プロファイルを有するＸ線源が、広域による非常に高い電源に負荷をかけることができるが、点源よりもそれほど低くない輝度を維持するのに用いることができる。

図５に示すように、円形のＸ線源は、半円形のプロファイル５１４を有する回転陽極試料５１２上に加速電子５１０を投射することによって成される。このシナリオにおいて、Ｘ線源と光学系とは、特有の構成に基づいて適合されている一組として設計されることが必要である。一つの実施形態においては、部分的に円形の凹多層光学系と、部分的に円形の放射プロファイルを有する源と、を含んでいる。他の実施形態においては、完全に円形の凹/凸多層焦点光学系と、円形の放射プロファイルを有する源と、を含んでいる。更にもう一つの実施形態では、源、または、ガラス管からの引き込みが制御されることによって形成される全反射面を利用する光学系のいずれの幾何学が含まれる。大きな源の内部に認められた円形の源を含ませる、十分に大きな源のサイズである場合には、光学系が大きな源を利用することができることは有効である。

図６を次に参照して、回転軸と結果としてなる反射面６０２との概略関係は示されている。いずれの場合においても示され、回転軸線は焦点６０６を通じて通過しており、輪郭の幾何学的な対称軸を有する平面に合わせられる。回転軸線が、回転軸６１０により示されるように、反射面６０２の遠い端部を越える場合には、反射面６０２は凸面であり、形成されるビームの断面は中心穴を有するリングを備える。回転する回転軸が回転軸６１２として反射面６０２の遠い端部にある場合には、反射面６０２は凸面であり、形成されるビームは回転角に従って部分的又は完全な円形断面を有している。

反射面６０２は、回転軸が反射面６０２の近い端部と反射面６０２の遠い端部との間である場合には、回転軸６１４によって示すように、凹面と凸面との組合せであっても良い。凹面はせいぜいπ面である。ビームの断面は回転角がπである場合には円形である。光学系とＸ線ビーム投射の例は、図７に示されている。光学系７１０は凸部７１２と凹部７１４とを有している。光学系７１０の凸部７１２を利用するために、Ｘ線源７１６は部分的に円形でなければならない。これによって、Ｘ線源７１６に試料の小さな領域に多くのエネルギーを集中させることなく、より多くのフラックスを試料に導くことができる。Ｘ線のトレースは、参照符号７１８によって示される。

回転軸が回転軸６１６に示すように、反射面６０２の近い端部にある場合には、反射面６０２は凹面である。回転角はせいぜいπである。このように、ビームは半円形の断面を有している。回転軸が、軸６１８で示すように、源６０４と反射面６０２の近い端部との間である場合には、反射面は凹面である。ビームが、回転軸６２０で示される代表的なケースによって提供されるよりも小さい内径を有する部分的なリング断面を有している。回転軸６２０は、反射面が楕円面であるとして、源６０４の基点と焦点６０６とを通じて通過する。ビームは、リング断面またはリング部分を有している。

放物線状の面を利用するシステム８１０は、図８に示されている。放物線のシステムにおいて、Ｘ線源８１２の基点は放物線８４４の基点にある。代表的な放物線のシステムは、表面８２６の幾何学的な軸８５０周辺で回転される表面８２６を有する光学８１４を用いる。しかしながら、本発明の実施形態によるシステムにおいて、回転軸８３０は、表面８２６の幾何学的な対称軸８５０とは異なる。上述のように、軸８３０が軸８５０と光学系との間である場合には、これは効率的で効果的な方法で、試料に供給されるフラックスを実質的に増加させるのに役立つ。軸８３０は軸８５０に平行である。

Ｘ線分析において、多数の波長又はエネルギーを試料上に供給するために役立てることができる。このように、Ｘ線源１２は、多数の波長又は多数のエネルギーのビームを供給するために任意に構成することができる。

これに対して、図９に示すように、円形に形づくられた源が、異なる試料材料の多数の断面にさらに分割させても良い。例えば、試料９１０は、それぞれ異なる材質で形成された４つの断面９１２、９１４、９１６及び９１８を有している。このような組み合わされた源と光学系は、多数の波長のビームを出力する。

多数の波長システムの光学系９２０は、多層光学系又は結晶光学系のような、自然の全反射光学系または自然の回折光学系であっても良い。反射面が多層又は結晶面の自然である場合には、異なるエネルギーのために一致する断面９２２、９２４、９２６及び９２８は、ブラッグの法則で定められた輪郭及びレイヤ構造を適用する。一つの実施例では、光学系は異なるエネルギーのために一致する断面を含み、それぞれの断面は、層厚さ及び層厚さの変異を含むコーティング構造と、それ自身の輪郭と、を有するブラッグの法則に従っている。他の実施例では、それぞれの断面は、各断面用の異なるコーティング構造だが、各断面用の同様の輪郭を有している。更に他の実施例では、光学系の各断面は異なる輪郭だが、同様のコーティング構造を有している。さらにまた他の実施例では、光学系は異なる断面を有する結晶光学系であり、それらはそれぞれ、それブラッグの法則がそのエネルギーのために満たされることができるようなそれ自身の輪郭と結晶構造を有している。

当業者が容易に理解されるように、上記の説明は本発明の原理を実現する例としての意味である。この説明は、以下の請求項に記載の本発明の精神から逸脱することなく、本発明が修正、変異及び変更に影響されやすい点で、本発明の範囲又は用途を制限することを目的としていない。

Claims (31)

1. Ｘ線光学システムにおいて、
   Ｘ線ビームを放射する源と、
   輪郭の幾何学的な対称軸とは異なる軸周辺で定められた前記輪郭を回転させることで形成される光学反射面を有しており、前記源から前記ビームを受け取ると共に試料を特徴づけるために当該試料に向けて当該ビームを導く光学系と、
   を備える、Ｘ線光学システム。
2. 前記軸は、いずれかの縦方向の断面における前記幾何学的な対称軸を有する平面にある、請求項１のシステム。
3. 前記サンプルを特徴づける検出器と、を更に備える、請求項１のシステム。
4. 前記源は、少なくとも部分的に円形の放射プロファイルを有する、請求項１のシステム。
5. 前記源は、完全に円形の放射プロファイルを有する、請求項４のシステム。
6. 前記源は大きな源であり、それによって前記必要とされる円形のプロファイルは当該源の内部に埋め込まれている、請求項１のシステム。
7. 前記反射面は凹面である、請求項１のシステム。
8. 前記源は、半円形の断面を有する放射プロファイルを含む、請求項７のシステム。
9. 前記源は、少なくとも部分的にリング断面を有する放射プロファイルを含む、請求項７のシステム。
10. 前記反射面は凸面である、請求項１のシステム。
11. 前記源は、リング断面を有する放射プロファイルを含む、請求項１０のシステム。
12. 前記源は、少なくとも部分的に円形の断面を有する放射プロファイルを含む、請求項１０のシステム。
13. 前記反射面は凸部と凹部とを含む、請求項１のシステム。
14. 前記源は回転陽極である、請求項１のシステム。
15. 前記源はシールド管Ｘ線発生システムである、請求項１のシステム。
16. 前記源はマイクロフォーカス源である、請求項１のシステム。
17. 前記光学系は全反射光学系である、請求項１のシステム。
18. 前記光学系は多層光学系である、請求項１のシステム。
19. 前記光学系は反射型結晶である、請求項１のシステム。
20. 前記Ｘ線源は、異なる試料材料の多数の断面に分割されている、請求項１のシステム。
21. 前記光学系は、異なるエネルギーのために一致する断面を有する全反射光学系である、請求項２０のシステム。
22. 前記光学系は、異なるエネルギーのために一致する断面を有する多層光学系であり、それぞれの断面は、コーティング材料の組合せ、層厚さ及び層厚みの変異を含むコーティング構造と、それ自身の輪郭と、を有するブラッグの法則に従っている、請求項２０のシステム。
23. 前記光学系は、異なるコーティング構造だが異なる断面のために同じ輪郭を有する、請求項２２に記載の光学系。
24. 前記光学系は、異なる輪郭だが同じコーティング構造を有する、請求項２２の光学系。
25. 前記光学系は異なる断面を有する結晶光学系であり、それらはそれぞれ、ブラッグの法則がそのエネルギーのために満たすことができるように、それ自身の輪郭と結晶構造を有する、請求項２０のシステム。
26. Ｘ線光学素子であって、
    Ｘ線ビームを反射するために構成された反射面を備え、
    該反射面は、幾何学的な形状によって定められた第１の方向に沿った輪郭を有し、かつ、該輪郭の前記幾何学的な対称軸とは異なる軸周辺で回転される前記輪郭の第２の垂直方向に形状を有する、Ｘ線光学素子。
27. 前記軸は前記幾何学的な対称軸を有する平面にある、請求項２６のシステム。
28. 前記反射面は凹面である、請求項２６のシステム。
29. 前記反射面は凸面である、請求項２６のシステム。
30. 前記反射面は凸部と凹部を含む、請求項２６のシステム。
31. 試料を分析する方法において、
    Ｘ線ビームを発生するステップと、
    当該光学系の幾何学的な対称軸とは異なる軸周辺で定められた輪郭を回転させることによって形成される反射面を有する光学系を用いて試料に前記Ｘ線ビームを導くステップと、
    前記試料からＸ線を検出するステップと、
    前記検出された前記Ｘ線に対応する電気信号を発生させるステップと、を含む。

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