JP2015533415A - 結晶学的結晶粒方位マッピング機能を有する実験室ｘ線マイクロトモグラフィシステム - Google Patents

Abstract

３次元結晶学的結晶粒方位マッピングのための方法およびシステムは、多結晶試料を、実験室Ｘ線光源から得られる広帯域Ｘ線ビームで照射し、１つ以上のＸ線検出器上で、試料から回折されたビームを検出し、試料を異なる回転位置にして上記回折されたビームから得られるデータを処理することにより、結晶粒方位、位置、および／または３次元体積を３次元で再構成する。特定のコーンビームジオメトリは、Ｘ線点光源の場合分散ビームが伸張結晶粒から反射してＸ線を回折面方向に集光するという事実を活用する。

Description

関連出願
本願は、２０１２年１０月１８日に出願され「Laboratory X-Ray Micro-Tomography System with Crystallographic Grain Orientation Mapping Capabilities（結晶学的結晶粒方位マッピング機能を有する実験室Ｘ線マイクロトモグラフィシステム）」と題された米国仮出願第６１／７１５，６９６号に基づく、米国特許法第１１９条（ｅ）に定められた優先権を主張し、その全体を本明細書に引用により援用する。

発明の背景
金属、セラミック、およびその他の重要な材料は、多数の個々の単結晶粒で構成されている。組成が均一である材料の場合、結晶粒はすべて同一の結晶構造を有するが、材料全体においてこれら結晶粒の相対結晶方位は同一ではない。実際、材料の多くの重要な工学特性は、２、３の例を挙げると、粒径、粒界、粒径分布、および結晶粒方位といった結晶粒特性の作用によるものである。

単一組成の多結晶材料の場合、一般的に、吸収および／または位相差に基づく従来のＸ線トモグラフィスキャンでは、個々の結晶粒および粒界の違いが識別されない。

電子後方散乱回折撮像法（ＥＢＳＤ）は、走査電子顕微鏡において、材料の研磨した断面の表面に対して行なうことにより、結晶粒および粒界を２次元で撮像することができる。結晶粒の結晶方位は、ＥＢＳＤにおいて求められる。集束イオンビーム加工ツールおよびＥＢＳＤ撮像法を用いて、連続切片を作製することにより、３次元（３Ｄ）ＥＢＳＤデータが得られる。しかしながら、３Ｄ ＥＢＳＤは、その過程で試料が破壊されるので、破壊的測定技術である。

温度サイクル、応力またはひずみ等の外的要因の作用としての時間ドメインにおける材料発展は、材料破壊を理解し、最適特性を有する材料を生出すための最良の処理条件を理解するには、非常に重要である。３Ｄ ＥＢＳＤは、試料の結晶粒マップを一度しか捕捉できないので、材料発展を研究するにはきわめて不十分である。

Ｘ線回折コントラストトモグラフィ（Ｘ線ＤＣＴ）は、多結晶の微細構造を３次元で特徴付けるための、非破壊的手法である。これは、吸収を生じさせる多結晶の結晶粒形状、結晶粒方位、および微細構造を、同時にマッピングすることができる。

従来のＸ線ＤＣＴ機構では、試料を、高エネルギシンクロトロン放射の単色ビームで照射する。試料を回転させると、結晶粒が照射ビームを通過し、ブラッグ回折の条件が個々の結晶粒によって満たされ、これら回折スポットが、試料の後ろに配置された２Ｄ検出器に記録される。回折の幾何学的形状を用いて、スポットを、スポットを生じさせた結晶粒に割当て、結晶粒の結晶学的方位を求める。このスポットを、結晶粒を投影したものとして使用することにより、それぞれの結晶粒形状を再構成する。この技術は、いくつかの材料科学研究、たとえば、粒界ネットワークの３次元での特徴付けおよびある種のステンレス鋼における粒間応力腐食割れのその場（in-situ）研究に応用されてきた。Ｘ線ＤＣＴによって研究されているその他の材料には、アルミニウム合金Ａｌ１０５０が含まれる。最も重要なことは、現在は通常の３次元結晶粒マップ測定を非破壊的に実行することが可能であり、それによって、時間発展を研究するために測定を繰返すことができることである。

これらの測定を行なうためにはシンクロトロン光源の使用が必要であるということは、非常に制限が大きいということであり、実験室光源回折ＣＴシステムは、この欠陥を補うであろう。シンクロトロンは実験室光源と比較して数桁分高い輝度のＸ線を生成することは周知であり、シンクロトロン用に開発されたＤＣＴの方法は、高ビームコリメーションおよび単色性に現われる、高いビーム輝度を必要とする。

一般的に実験室光源の輝度がシンクロトロンと比較して非常に低い理由は、実験室光源から放出されるＸ線波長の帯域幅が、制動放射という点で、非常に広いことにある。制動放射バックグランドに加えて放出される特徴的な輝線は、放出される総Ｘ線パワーと比較して強度が低く、モノクロメータ（結晶モノクロメータまたはマルチレイヤ）を使用することによって、実験室光源のビームの単色化を試みるときには、強度がさらに低下する。

それにもかかわらず、２０１２年１月１２日公開のLauridsen他の米国特許出願公開第２０１２／０００８７３６号Ａ１には、実験室光源を使用できるＸ線ＤＣＴシステムが記載されている。このシステムは、集束された単色のＸ線ビームの使用を想定するという点において、シンクロトロンＤＣＴ機構の実装を模倣したものである。加えて、標準的でない検出器を使用して回折信号を検出する手法が記載されている。

発明の概要
実験室光源Ｘ線ＤＣＴシステムに関して提案されている構成の問題点は、その性能が当然低くなることである。この構成には集束された単色ビームが必要であるので、既存の実験室Ｘ線光源から結果として得られるＸ線光束は当然低過ぎる。その結果、露光時間は非実用的に長い。

このため、実験室内でＸ線ＤＣＴ解析を行なうことができる方法およびシステムが依然として必要とされている。特に、シンクロトロン放射線源がない研究および産業施設でＸ線ＤＣＴを使用できるようにする技術が必要とされている。また、特に必要なのは、単純で効果的な検出システムを利用する機構である。

概して、ある局面に従うと、本発明は、３次元結晶学的結晶粒方位マッピングのための方法を特徴とする。この方法において、回転している試料を、実験室Ｘ線光源から得られる広帯域のＸ線コーンビームで照射することにより、Ｘ線検出器上に回折ビーム像を生成する。試料の回転角に関する情報と結合された画像からのデータを（たとえばコントローラによって）処理することにより、結晶粒方位および位置を３次元で再構成したものが得られる。

別の局面に従うと、本発明は、３次元結晶学的結晶粒方位マッピングのための装置を特徴とする。この装置は、実験室Ｘ線光源と、Ｘ線光源からのコーンビームの範囲を制限するための開口等の１つ以上の任意のＸ線調節装置と、試料を回転させるためのステージと、回折データを収集するための１つの検出システム、好ましくは高解像度ピクシレーション（pixilated）Ｘ線検出器と、試料の回転角に関する情報と結合された、検出器が受けたデータを処理することにより、結晶粒方位および位置を３次元で再構成したものを生成するための、コントローラとを含む。

本明細書に記載の装置および技術を利用して、Ｘ線ＤＣＴの原理を用いた結晶学的マッピングを、実験室内で行なうことができ、このシステムの主な利点の１つとして、サイズが小さいことが挙げられる。従来のＸ線ＤＣＴ実験で一般的に必要とされるシンクロトロンＸ線光源と比較して、ここで使用される実験室Ｘ線光源は小型でコストが大幅に低く、常時アクセスが可能である。さらに、以前の手法と異なり、標準的な実験室光源が生成するＸ線をより効率的に利用する、広帯域の集束されていない（コーン）Ｘ線ビームを使用する。

次に、構成のさまざまな詳細事項および部品の組合わせを含む、本発明の上記およびその他の特徴ならびにその他の利点を、添付の図面を参照しながらより具体的に説明し、請求項に示す。本発明を実現する具体的な方法および装置は、本発明を限定するためではなく例示するために示されていることが理解されるであろう。本発明の原理および特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく多様な数多くの実施形態において用いることができる。

添付の図面では、異なる図面を通じて同一の部分を参照符号で示している。図面は、必ずしも正しい縮尺で示されているのではなく、本発明の原理を例示するにあたって強調が加えられている。

広帯域光源からのＸ線が開口を通して結晶試料の１つの結晶粒を照射したときに生成されるラウエ焦点面５０および投影面５２を示す概略斜視図である。 図１の機構における相対距離を示す側面図である。 図１の機構における相対距離を示す上面図である。 ラウエ焦点面で生成された像および直進ビームと回折ビームの関係を示す。 投影面で生成された像および直進ビームと回折ビームの関係を示す。 本発明の原理に従いＸ線ＤＣＴを実施するために使用可能な装置のＸ線検出器システムを示す概略図である。

好ましい実施形態の詳細な説明
本実施形態は、概して３次元結晶学的結晶粒方位マッピングを得るための方法および装置に関する。先に述べた手法と異なり、このシステムおよび対応する方法は、実験室Ｘ線光源および検出システムを使用する。この検出システムは、コーンビームジオメトリにおいて、試料を透過させ試料によって回折されたＸ線を、試料から好ましくは少なくとも２つの距離のところで検出することができる。好ましくは、高解像度ピクシレーションＸ線検出器を用いて、回折されたＸ線を収集し、回折データを生成する。解像度がより低い検出器を用いて、回折されたＸ線を検出し、試料を通して投影面の投影像を検出する。

作業中、研究中の試料を、たとえば運動ステージシステムを利用し、ある回転角度（Θ）で回転させることにより、一連の角投影を生成する。コントローラが、（試料を回転させている間に得られた）複数の画像の画像データを検出システムから受け、結晶粒方位および位置を３次元で再構成する。

好ましくは、このシステムはＸ線放射の「白色」または広帯域ビーム、すなわち波長スペクトルが広いビームを使用する。Ｘ線ビームの帯域幅を制限するのは、Ｘ線光源の動作電圧およびビーム内の任意の吸収フィルタのみである。

広帯域（白色）Ｘ線ビームが回折パターンを生じさせることは周知である。単結晶／結晶粒の場合、これはラウエ回折パターンと呼ばれる。回折反射は、１）結晶面のｄ間隔、２）結晶面の方位、および３）反射のブラッグ条件を満たす、入射広帯域Ｘ線スペクトルから選択された１つの特定のＸ線エネルギまたは狭範囲のＸ線エネルギ、に対応する、特定の角度に現われる。

多色回折の場合、結晶からの各反射は、入射波長スペクトルから特定の波長または狭帯域を「選択する」。一般的に、１つの結晶粒の多数の反射は、ブラッグの条件２ｄ＊ｓｉｎ（β）＝ラムダ（または２ｄ・ｓｉｎβ＝λ）（ｄは格子間隔、ベータ（β）は回折角度、ラムダ（λ）は波長）に従う、さまざまな結晶面ｄ間隔、回折角度、およびＸ線波長に対応する、１つの回折パターンに現われる。

単結晶材料の場合、システムコントローラは、検出器システムによって検出されたこれら回折パターンおよび画像を分析し、このデータから結晶方位および格子間隔を抽出する。

Ｘ線ビームによって照射される多数の結晶粒を有する多結晶材料では、各結晶粒は、多数の反射を回折パターンに与える。視準された（平行）入射Ｘ線ビームを用いる多結晶試料の多色回折パターンは、一般的に、多数の回折スポットが重なり合っており、そのため、結晶粒の結合、波長、およびｄ間隔を解読することは不可能である。実際、多数の結晶粒が存在していれば、個々の結晶粒がランダムな方位であるため、粉末回折と呼ばれている回折方法において周知である、いわゆるラウエ回折リングが生じる。粉末回折は、材料の結晶構造を求めるための確立された方法であるが、特定の結晶粒情報を何ら明らかにしない。

一方、本システムが使用する特定の（コーンビーム）ジオメトリは、Ｘ線点光源の場合、分散ビームが、伸張結晶粒から反射して、Ｘ線を、Ｘ線が回折面方向においてソース−試料間距離ｄｓｓに等しい距離の場所で集光されるように、回折するという事実を、活用する。この特別な面をラウエ焦点面と呼ぶ。この集光効果は、結晶粒の大きさにわたり異なる入射角でＸ線光源を「見ている」単結晶粒によって、生じる。これは次に、上記ブラッグの法則に従う反射に対して異なる波長および回折角度を選択する。

視準（平行）ビーム多色回折と異なり、このシステムにおいて反射したＸ線の波長は１つの結晶粒にわたって一定ではなく、Ｘ線が当たった結晶粒内の位置に応じて変化する。

図１はラウエ焦点面５０および投影面５２を示す。
より詳しくは、広帯域光源１１０が広帯域放射の分散ビーム１１５を放出する。この放射は試料１０内の結晶または結晶粒によって回折される。

結晶１０による回折効果がラウエ焦点面５０を生じさせる。この焦点面は、ブラッグの条件を満たすＸ線が試料の結晶または結晶粒１０における回折によって集光される面である。集光は回折面でしか生じないので、一般的には、回折されたビームのパターンが、ラウエ焦点面におけるラインを形成する。また、光源と試料の間の距離（ｄｓｓ）と、試料とラウエ焦点面の間の距離（ｄｓｄ１）が等しいことも注目される。また、試料１０からさらに遠い距離の場所には、回折する結晶または結晶粒の投影の投影面５２がある。ラウエ焦点面から投影面までの距離は、任意であり、投影面におけるパターンの記録に利用できるＸ線検出器の画素サイズによって決まる。

図２Ａは広帯域の分散ビームが試料の結晶粒によって回折されるときの相対距離を示す上面図である。具体的には、光源１１０と試料１０の間の距離はｄｓｓである。試料１０とラウエ焦点面５０の間の距離はｄｓｄ１であり、試料１０と投影面５２の間の距離はｄｓｄ２である。

Ｘ線ビーム１１５の中の異なる波長またはエネルギが、試料の結晶または結晶粒１０の異なる部分に沿ってブラッグの条件を満たすことに着目する。したがって、ラウエ焦点面５０で発生する特徴は、複数の波長λ１、λ２、λ３の組合わせである。これらの波長は、光源１１０から放出される広帯域Ｘ線に含まれるスペクトル帯域λｍｉｎ〜λｍａｘの中にある。

光源１１０と試料１０の間の開口１１２を用いて、試料に対する照射ビームを制限し、透過直進ビーム／非回折ビーム６２を回折ビーム６０、６４から分離する。

回折ビーム６０、６４はラウエ面に集光されるので、投影面における結晶の投影像は、反転されており、（ｄｓｄ２−ｄｓｓ）／ｄｓｓによって示される幾何学的倍率を有し、せん断されているようにも見える。

図２Ｂは、広帯域分散ビームが試料の結晶粒によって回折されるときの相対距離を示す上面図である。ラウエ焦点面５０における集光効果により、ライン形状のスポットが形成される。

ラウエ焦点面におけるライン形状のスポットとしての回折信号の外観は、集光効果および拡大効果によるものである。１つのこのようなライン形状スポットは、試料の１つの結晶粒内の一組の結晶面からのＸ線の回折から生じる。この結晶粒内の結晶面が、Ｘ線を回折しＸ線をその垂直方向に沿って細いラインに集光する。この集光効果は、結晶粒の全長にわたって生じる。このことは、ラウエ焦点面におけるライン形状のスポットの長さは、２に等しい（ｄｓｓ＋ｄｓｄ１）／ｄｓｓという係数で拡大されたこの方向の回折粒の物理的サイズを投影したものを表わすことを、意味している。この結晶粒は、この方向において反転されないで投影される。このことから、ラウエ焦点面における結晶寸法を解像できるようにするためには、結晶粒寸法を解像できる高解像度の検出器が必要であることが明らかになる。幾何学的倍率が非常に低く２に等しいからである。投影面における結晶粒の投影の倍率は、（ｄｓｓ＋ｄｓｄ２）／ｄｓｓによって示され、これは投影Ｘ線撮像システムと同一である。投影面における幾何学的倍率が高いほど、解像度が低いＸ線検出器システムを使用できる。

たとえば、図３Ａに示されるように、ラウエ焦点面５０に位置する空間解像Ｘ線検出器１５０は、反射の面の方位を符号化するライン６０を検出する。ラウエ焦点面５０におけるライン６０は、試料１０によって回折されない直進ビーム６２を形成するＸ線に隣接している。

図３Ｂに示されるように、投影面５２に位置する空間解像Ｘ線検出器１５２は、回折する結晶粒の投影を生じさせる投影面検出器１５２上へ反射されたＸ線６４を検出する。

投影面において、結晶粒の投影の倍率は、回折面と直交面において等しくない。回折面における投影は反転されており直交面よりも倍率が低い。直交面では投影は反転されていない。

３次元結晶粒マップの再構成のために試料面に結晶粒の輪郭を再度投影する１つの手法は、投影面からラウエ焦点面５２におけるライン焦点を通して結晶粒形状を再投影することである。そうすると、試料内の正確な結晶粒位置に関する推論とともにセットアップ（光源位置）の幾何学的形状がわかっているので、反射を生じさせる屈折率および波長を識別することができる。

回折データにおけるフリーデル対の識別は、同一の結晶粒に属する回折信号の識別の助けになる。

図４に示されているのは、本発明の実施形態に従うＸ線３次元結晶学的結晶粒方位マッピングを実施するための装置の一例である。この装置は一般的に試料１０を照射するためのＸ線光源１１０を含む。

光源１１０は「実験室Ｘ線光源」である。これは、光源から試料までの距離（ｄｓｓ）を独立して調整することを可能にする光源Ｚ軸ステージに位置することが好ましい。本明細書で使用される「実験室Ｘ線光源」は、シンクロトロンＸ線放射源ではない、Ｘ線の適切な源である。

光源１１０はＸ線管であってもよい。Ｘ線管の中では、真空内で電界によって電子が加速されターゲット金属片に衝突し、金属内で電子が減速するときにＸ線が放出される。典型的に、このような光源は、使用される金属ターゲットの種類に応じて、選択されたターゲットの特性線から得られたあるエネルギにおける強度の尖鋭なピークと組合されたバックグラウンドＸ線の連続スペクトルを生じさせる。さらに、Ｘ線ビームは分散しており空間的および時間的コヒーレンスがない。

一例において、光源１１０は、タングステンターゲットを有する回転アノード型またはマイクロ集光光源である。モリブデン、金、白金、銀、または銅を含むターゲットを使用することもできる。好ましくは、電子ビームが薄いターゲット４１０にその背後から衝突する伝達構成が使用される。ターゲットの反対側から放出されたＸ線はビーム１１５として使用される。

別のより具体的な例において、光源１１０は、その内容全体を本明細書に引用により援用する２００８年１０月２８日にYun他に発行された米国特許第７，４４３，９５３号に記載されているような構造化されたアノードＸ線光源である。この場合、光源は、所望のターゲット材料からなる薄い上層と、良好な熱特性を有する低原子番号および低密度の材料からなるより厚い下層とを有する。アノードは、たとえば、ベリリウムまたはダイヤモンド基板の層上に積層された最適厚さの銅の層を含み得る。

本明細書に記載のトモグラフィ応用に適したエネルギを有する放射を生成するＸ線レーザも使用できる。

さらに他の例において、光源１１０は、スウェーデンのキスタにあるExcillum ABから入手できるもののような金属ジェットＸ線光源である。この種の光源は、アノードが液体−金属ジェットである微小焦点管を使用する。このため、アノードは絶え間なく再生され既に溶融されている。

光源１１０によって生成されたＸ線ビーム１１５は、好ましくは放射の不要なエネルギまたは波長を抑制するように調節される。たとえば、ビーム内に存在する望ましくない波長は、たとえば（所望のＸ線波長範囲（帯域幅）を選択するように設計された）エネルギフィルタ４１２を用いて、除去または減衰される。しかしながら、フィルタ４１２は、実質的には伝達されるビーム１１５の全エネルギまたは帯域幅を減じる訳ではない。たとえば、フィルタ４１２は、好ましくはビーム内のパワーを５０％以下減じる。好ましい実施形態において、これはビーム内のパワーを３０％以下減じる。関連しているのは、Ｘ線光源１１０によって生成された広帯域Ｘ線のほとんどが残されて試料１０を照射するということである。一般的に、使用されるＸ線の帯域幅は、Ｘ線エネルギ帯の半値全幅（ＦＷＨＭ）に対する中心Ｘ線エネルギの比率によって定められる４０％よりも大きい。たとえば、中心エネルギが５０ｋｅＶの場合、中心エネルギの周りの少なくとも２０ｋｅＶのエネルギ帯が使用される。一般的にこの帯域幅は少なくとも２０％である。そうでなければ、利用できる光源の光束があまりにも大きくカットされていることになるからである。また、さまざまなＸ線光源／フィルタの組合わせを用いてデータを収集することにより、いくつかの例では中心エネルギおよび帯域幅が変えられることも認識されるであろう。これは、記録された反射の波長範囲を識別するために制御システム１０５が使用することができるデータに追加情報を提供する。

ビームの大きさは、好ましくは、ビーム画定ピンホールまたは適切な正方形の開口を有する開口装置１１２にＸ線ビームを通すことによって減じられる。この開口は、試料１０上の照射領域を限定するとともに、Ｘ線検出システム上の直進ビームのサイズを制限する。異なるサイズの開口を用いることによって、ビーム内の結晶粒の数を調整できることがわかる。このことは、処理できる回折反射の数を保ち反射の重なりを減じるためには有利である。一般的に、すべての結晶粒のいくつかの反射は既にラウエ面および投影面に記録されている。

他の実装例では２つ以上のエネルギフィルタ４１２および／または開口装置１１２が使用される。一方、このビーム調節は、実験室光源（たとえばレーザ）が、十分に帯域が限定されたおよび／または空間的に限定されたビームを生成する場合、省略される。

実験室Ｘ線光源１１０から（直接、すなわちたとえばレーザ光源の場合さらに調節することなく、または、上記のように調節されて）得られたＸ線ビーム１１５は、研究中の試料１０を照射する。試料１０は、並進対称性を有する結晶を各結晶粒が構成する、多数の結晶粒を有する多結晶材料であることが多い。結晶粒は、同一の化学組成および格子構造を有し得るが、一般的には異なる方位を有する。

本明細書に記載の装置および技術を用いて分析することができる材料の例は、金属、金属合金、セラミック等を含むが、これらに限定されない。

試料１０の着目領域は、試料ステージ４１４のＸ、Ｙ、Ｚ軸並進機能を用いてビーム内に位置付けられる。次に、Ｙ軸を中心として試料１０を回転させ（角度Θ参照）、Ｘ線ビーム１１５に対して異なる試料面を露出させる。具体的な例において、試料１１０は、ステージ４１４上に搭載された試料ホルダ（図示せず）に保持される。これは、試料を回転させることができ、好ましい実装例においては位置合わせのためにＸ線ビーム１１５に対して試料を並進させることができる。

たとえば、試料１０は、理想的には電動化された、試料１０の調整および回転のための試料ホルダおよびステージシステムを含む従来のシステムを用いて操作することができる。ステージ４１４は、光学テーブルの面（Ｘ軸）において試料１０を照射するＸ線ビーム１１５に沿う（Ｚ軸）並進、および／またはＸ線ビームを横断する方向（Ｙ軸およびＸ軸）における並進、および／またはＸ線ビームに対して鉛直方向（Ｙ軸）における並進のために設計されていてもよい。便宜上、本明細書で使用される座標系は、Ｚ軸として、入射Ｘ線ビームによって定められる光学軸に沿う軸を有し、Ｘ軸として、（光学テーブルの面において）入射Ｘ線ビーム１１５に垂直な軸を有し、Ｙ軸として、光学テーブルの（水平）面に対して垂直（鉛直）方向に延びる軸を有する。

一例において、試料ステージ４１４は、システムコントローラ１０５によって制御され、中心回転軸Ｙを有し、試料の位置は、この回転軸ＹがＸ線ビーム１１５の直進経路に対して垂直となるように、調整することができる。ステージ４１４は、フル回転３６０°当たり２０分から２４時間の範囲といった予め定められた設定可能な回転速度で、または、１増分回転当たり０．０１°〜１５°の範囲といった設定可能な段階的増分回転運動によって、回転軸Ｙを中心として試料１０を回転させることができる（図４の角度Θ参照）。このステージは、回転位置０°に対してデフォルト基準点を有してもよく、搭載された試料の回転運動を開始するときに実際の基準点を設定できるという選択肢を提供してもよい。このステージの、基準点に対する回転角は、試料ステージ装置４１４からシステムコントローラ１０５に伝えられる。

たとえば、試料１０は、ステージ４１４の台から突出する試料ホルダ上で保持してもよい。この台は、Ｘ−Ｚ試料運動ステージの制御下でＸ−Ｚ面において並進することにより、光学テーブルの面上で試料を細かく位置付けることができる。

試料回転ステージが試料運動ステージを回転させると、試料１０も、Ｘ線ビーム１１５の中で、Ｙ軸に対して平行に延びる回転軸を中心として回転する。Ｘ軸に沿って試料を比較的大まかにまたは粗く位置付けるためにＸ軸試料運動ステージを設けて、たとえば試料を搬入できるようにしてもよい。また、光学テーブルの上面を基準としてＸ線ビーム１１５の中の試料１０の高さを調整するために、Ｙ軸（並進）試料運動ステージを設けてもよい。

入射Ｘ線ビームと回転している試料との相互作用によって、ラウエ面Ｘ線検出器１５０のシンチレータ４２０上で取込まれる一連の角投影６０（図３Ａ参照）が生成される。好ましくはＸ線絞り４１８を設けることによって、Ｘ線光源１１０からの直進ビームを遮断または減衰させる。Ｘ線絞り４１８を用いて直進ビームを遮断する利点は、直線ビームが試料１０の結晶粒構造に関する情報を殆ど伝えないことにある。加えて、その信号強度は回折ビームよりも遥かに強いので、直進ビームを遮断することにより、ラウエ面Ｘ線検出器１５０の性能を向上させ、シンチレータ４２０で発生する迷光を減じる。一般的に、Ｘ線絞り４１８のサイズは開口１１２よりも大きい。Ｘ線ビーム１１５には分散特性があるからである。

Ｘ線絞り４１８としては、いくつかの例では部分的透過性を有することによりシンシレータ４２０上の試料１０の吸収コントラスト投影をさらに収集するものが選択される。この直接像は、コントローラ１０５によって試料の輪郭を再構成し試料１０の質量中心を決定するのに役立つ。

ある実装例では、さらに他のフィルタ４１６を試料１０とシンチレータ４２０の間に位置付ける。これを用いてＸ線ビームの中の望ましくないエネルギをフィルタ除去することができる。

いずれの場合でも、入射回折Ｘ線ビーム６０および（遮断されていなければ）透過（または消光）Ｘ線ビーム６２が、ラウエ面Ｘ線検出器１５０のシンチレータ４２０によって、より低エネルギ（典型的には電磁スペクトルの可視範囲内）の光子に変換される。すると、もしあれば、透過Ｘ線像６２からおよび回折Ｘ線像６０から放出されたより低エネルギ（典型的には可視範囲）の光子ビームが、さらにラウエ面Ｘ線検出器１５０の光学部４３０によって処理される。

ラウエ面Ｘ線検出器１５０の光学部４３０は、典型的には光学拡大レンズシステムおよび検出器、たとえば、電荷結合素子（ＣＣＤ）またはＣＭＯＳセンサに基づく適切なフィルムまたはカメラ検出器を用いるものを含む。この検出器によって生成された画像はシステムコントローラ１０５に与えられる。

光学部４３０は、シンチレータ４２０の光学的に下流に配置されることが好ましい。光学部４３０は、好ましくはハウジング内に保持された拡大レンズを含む。２対を用いて拡大レンズからの光学信号を調節してもよい。最後の筒レンズ対が検出器（たとえばＣＣＤカメラ）上に像を形成する。

いくつかの例では、反射鏡がラウエ面Ｘ線検出器１５０の光学部に含まれる。これは、レンズの前に位置することによって、Ｘ線から受けるダメージを防止するとともに、残りのＸ線が次の投影面Ｘ線検出器１５２上に進むようにする。この実施形態では、ラウエ検出器１５０を取除いて投影面検出器１５２上で撮像する。これは、システムコントローラ１０５が、ＸまたはＹ軸運動ステージ／スイッチングシステム４２２を用いて検出器１５０を外すことによって行なわれる。

一般的には、使用することができる適切な構成が、たとえばその内容全体を本明細書に引用により援用する２００６年１０月１３日にYun他に発行された米国特許第７，１３０，３７５号Ｂ１に記載されている。

ラウエ面Ｘ線検出器１５０は、Ｘ、Ｙおよび／またはＺ方向においてラウエ面Ｘ線検出器１５０の位置をさらに調整できるようにするＺ軸運動ステージ／スイッチングシステム４２２を利用して搭載される。

具体的な例において、光源から試料までの距離ｄｓｓ（Ｚ方向）は、５ミリメートル（ｍｍ）と５０ｃｍの間である。試料からラウエ検出器までの距離ｄｓｄ１（これもＺ方向）は５ｍｍと５０ｃｍの間であってもよい。

ある構成において、シンチレータ材料４２０の厚みは、５０μｍと１ミリメートル（ｍｍ）の間である。これは、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）、タングステン酸カドミウム（ＣｄＷＯ４）等を用いる。そして、光学部４３０は約０．４Ｘ以上という倍率を提供する。別の実装例では、シンチレータの厚みは１０μｍと５００μｍの間であり、光学部４３０は４Ｘという倍率を提供する。他の実装例では、５μｍと２５０μｍの間であるより薄いシンチレータ４２０を用い、光学段４３０は１０Ｘという倍率を提供する。２μｍ〜２００μｍの厚さおよび倍率２０Ｘを提供する光学部を用いてもよい。さらに他の例では、光学部４３０は約５０Ｘ以下という倍率を提供する。

また、入射Ｘ線ビームと回転している試料との相互作用により、投影面Ｘ線検出器１５２のシンチレータ４３２上で取込まれる一連の角投影６４が生成される。好ましくは、第２のＸ線絞り４１９を設けることにより、Ｘ線光源１１０からの直進ビームを遮断する。ここでも、Ｘ線絞り４１９を用いて直進ビームを遮断する利点は、直進ビームが試料１０の結晶粒構造に関する情報を殆ど伝えないことにある。加えて、その信号強度は回折ビームよりも遥かに強いので、直進ビームを遮断することにより、投影面Ｘ線検出器１５２の性能を向上させ、投影面Ｘ線検出器１５２のシンチレータ４３２上で発生する迷光を減じる。一般的に、Ｘ線絞り４１９のサイズは開口１１２および第１のＸ線絞り４１８よりも大きい。Ｘ線ビーム１１５には分散特性があるからである。しかしながら、他の実施形態では、絞り４１９は減衰させるので検出器１５２は直進ビームも検出できる。

投影検出器ステージ４２４は、ビーム軸１１５に沿って投影面検出器１５２を支持し、これを位置付けるのに使用される。

いずれの場合でも、入射回折Ｘ線ビーム６４および（遮断されていなければ）透過（または消光）Ｘ線ビーム６２が、投影面Ｘ線検出器１５２のシンシレータ４３２によって、より低エネルギ（典型的には電磁スペクトルの可視範囲内）の光子に変換される。すると、透過直進Ｘ線像６２からおよび回折Ｘ線像６４から放出されたより低エネルギ（典型的には可視範囲）の光子ビームが、さらに投影面Ｘ線検出器の光学部４３４によって処理される。

投影面Ｘ線検出器１５２の光学部４３４は、ラウエ面Ｘ線検出器システム１５０よりも遥かに単純であってもよい。その理由は、幾何学的倍率が原因で、画像は投影面検出器１５２上のものの方がより大きいからである。

一例では、光学倍率を与えない。その代わりに、ＣＣＤパネル検出器をシンチレータ４３２の直後に使用する。たとえば、シンシレータ４３２に対する結合が１：１のフラットパネル検出器を使用してもよい。このような検出器が有する画素サイズの範囲は、典型的には５０μｍ〜２５０μｍである。

別の例では、投影面検出器１５２の光学部４３４は、可視光倍率が０．４Ｘであり、画素サイズ１３μｍのＣＭＯＳセンサを有する。

ある単純な例では、ラウエ面検出器１５０および投影面検出器１５２は同一の物理的検出器である。ビームに対する試料１０の角度シータ毎に、検出器をラウエ面５０と投影面５２の間で移動させる。この構成には、Ｚ軸およびＸ軸における高い並進機能を有する検出器ステージ４２２が必要である。

具体的な例において、試料から投影検出器までの距離ｄｓｄ２（これもＺ方向）は、１０ｃｍと１００ｃｍの間であればよい。投影面検出器１５２におけるＸ線の幾何学的倍率は、好ましくは１０と５００の間である。

本明細書に記載の装置はまた、システムコントローラ１０５を含む。このコントローラは、試料材料の３次元結晶学的結晶粒方位マッピングを得るために必要な動作を実行するのに適した何らかの処理部であればよい。たとえば、コントローラ１０５は、（試料１０を回転させている間に取得された）複数の画像の画像データを検出器システム１５０、１５２から受けて結晶粒方位および位置を３次元で再構成することができるコンピュータシステムであればよい。具体的な実装例では、コントローラ１０５はまた、回転ステージ４１４をしたがって調査中の試料１０の回転角度を制御する。好ましくは、コントローラ１０５はラウエ面検出器１５０および投影面検出器１５２のステージ４２２、４２４も操作する。具体的には、コントローラ１０５はラウエ面検出器１５０を動かして光路の外に出し投影面検出器１５２が検出を行なえるようにする、または、ラウエ面検出器１５０を投影面検出器１５２の位置まで動かしてその機能を果たすようにする。

場合によっては、コントローラ１０５はラウエ検出器１５０からのデータのみまたは投影面データ１５２からのデータのみを使用して試料１０を分析する。しかしながら、一般的にはラウエ検出器１５０から得た情報が試料の分析に最も役立つ。

本発明の多くの局面において、コントローラ１０５は、Ｘ線ＤＣＴの原理を利用して３次元結晶学的結晶粒方位マッピングを生成する。確立されているＤＣＴの原理は、そのすべての全体を本明細書に引用により援用するいくつかの刊行物に記載されている。これら刊行物は次の通りである。W. Ludwig et al., X-Ray Diffraction Contrast Tomography: A Novel Technique For Three-Dimensional Grain Mapping of Polycrystals. I. Direct Beam Case, J. Appl. Cryst. (2008) V41, pp. 302-309 (Appendix A)、G. Johnson et al., X-Ray Diffraction Contrast Tomography: A Novel Technique For Three-Dimensional Grain Mapping of Polycrystals. II. The Combined Case, J. Appl. Cryst. (2008) V41, pp. 310-318 (Appendix B)、Martin Knapic, Seminar, 4th Year, University of Ljubliana, Facutly of Mathematics and Physics, Physics Department, May 28, 2011 (Appendix C)、U.S. Patent Application Publication No. 2012/0008736A1, to E. M. Lauridsen et al., published on January 12, 2012 (Appendix D)。

上記文献（たとえばLudwig et al. (2008). J. Appl. Cryst. 41, 302-309参照）に記載されているように、Ｘ線ＤＣＴには、従来のＸ線吸収コントラストトモグラフィとの類似点がいくつかある。典型的に、試料内の結晶粒は、結晶粒が回折条件を満たす度に、Ｘ線減衰係数に対する、時折発生する回折の寄与を用いて撮像される。３次元結晶粒形状は、代数的再構成技術（ＡＲＴ）を用いて、限られた数の投影から再構成する。走査方位空間に基づき対応する結晶学的結晶粒方位を求めることを目的とするアルゴリズムも開発されている。

透過ビームおよび回折ビームを同時に取得することによって、Ludwig, et al., (2008). J. Appl. Cryst. 41, 302-309に記載の技術は、１断面当たり１００を超える結晶粒を含む変形されていない多結晶試料の研究に拡張されている。この場合も、結晶粒は、Ｘ線減衰係数に対する、時折発生する回折の寄与を用いて撮像される（これは、結晶粒が回折条件を満たすときに透過または直進ビーム６２の強度の減少として観察できる）。
たとえスポットの重なり合いが顕著であっても、追加の回折ビーム情報を用いた消光スポット像の分割は自動化されている。対応する直進（「消光」）ビームスポットと回折ビームスポットを対にすることにより、強力なソーティングおよび索引付け手法が開発されている。

一般的には、このシステムを用いると、試料１０内の各結晶粒は、Ｘ線ビーム軸１１５に対する試料１０のすべての角度毎に、典型的には複数の、１〜２０の回折スポットまたはラインをラウエ検出器１５０上に生成する。この効果を用いると、試料１０の連続回転（シータ）を不要にすることができる。加えて、ラウエ面の回折スポットは幾何学的ライン形状であるので、「重なり合う」という問題は減じられる。なぜなら、従来のシステムで検出される大きなスポットと比較して、ラインは分離し易いからである。

ある実施形態において、ラウエ検出器１５０および投影面検出器１５２によって検出された領域６０、６２、および６４からのデータは、コントローラ１０５に伝えられる。コントローラ１０５は、透過画像６２からの信号および回折画像からの回折スポット６０、６４を受けることに加えて、好ましくは露光プロセスの間結晶材料の試料１０が自動的に回転するように試料ステージ４１４の制御も行なう。

本発明をその好ましい実施形態を参照しながら具体的に示し説明してきたが、その形態および詳細事項のさまざまな変更を以下の請求項によって包含される本発明の範囲から逸脱することなくなし得ることが当業者には理解されるであろう。

たとえば、シンクロトロン放射線源においては、ＤＣＴに広帯域Ｘ線スペクトルを使用することは考えられていなかった。シンクロトロンビームが、多結晶試料に向かって分散広帯域ビームを送るように調節された場合、上記と同じ方法を用いると、単色ビームを使用する現在使用されている方法に対して、重要な性能上の利点を、場合によっては与えることができる。実際、シンクロトロンにおいて十分に活用されていない低輝度偏向磁石のビームラインを、実験室光源に代えて使用することにより、広帯域分散Ｘ線ビームを提供することができる。

Claims (24)

1. ３次元結晶学的結晶粒方位マッピングのための方法であって、前記方法は、
   回転している多結晶試料を、実験室Ｘ線光源から得られる広帯域Ｘ線ビームで照射することと、
   １つ以上のＸ線検出器上で、前記試料から回折されたビームを検出することと、
   前記試料の回転位置を異ならせて前記回折されたビームからのデータを処理することにより、結晶粒方位、位置、および／または３次元体積を３次元で再構成したものを生成することとを含む、方法。
2. 前記試料を照射する前に、前記実験室Ｘ線光源によって生成されたＸ線ビームは、ビームの発散を制御する開口に通される、請求項１に記載の方法。
3. 前記試料を照射する前に、前記実験室Ｘ線光源によって生成されたビームは、その帯域幅の制御のためにフィルタリングされる、請求項１に記載の方法。
4. 前記実験室Ｘ線光源によって生成されたビームは、前記試料を透過した後、Ｘ線ビームにおける望ましくないエネルギの除去のためにフィルタリングされる、請求項１に記載の方法。
5. 前記試料を照射するビームはコーンビームである、請求項１に記載の方法。
6. 前記試料を照射するビームは集光されていないＸ線ビームである、請求項１に記載の方法。
7. 前記１つ以上のＸ線検出器は、回折されたＸ線を収集し回折データを生成するための高解像度ピクシレーションＸ線検出器と、前記試料を通して投影像を検出するための解像度がより低い検出器とを含む、請求項１に記載の方法。
8. Ｘ線検出器をラウエ焦点面に配置することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. タングステン、モリブデン、金、白金、銀、または銅のターゲットを電子ビームで照射することにより広帯域Ｘ線ビームを生成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記試料を照射するＸ線ビームを、前記ビームにおける総パワーを５０％以下減じるスペクトルフィルタを用いて調節することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記試料を、１増分回転当たり０．０１°〜１５°の範囲で、段階的な増分回転移動によって回転させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記Ｘ線光源からの直進ビームをＸ線検出器に達しないよう遮断するまたは減衰させるためのＸ線絞りを設けることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
13. ３次元結晶学的結晶粒方位マッピングを実施するための装置であって、
    広帯域Ｘ線ビームを生成する実験室Ｘ線光源と、
    前記Ｘ線ビームの中で試料を回転させるための試料回転ステージと、
    前記試料から回折データを収集するための少なくとも１つのＸ線検出器と、
    前記試料の異なる回転位置に対応する前記回折データを前記検出器から受け、結晶粒方位および位置を３次元で再構成するためのコントローラとを備える、装置。
14. 前記試料上の照射領域を限定し前記検出器上への直進ビームの大きさを制限するためのビーム画定開口をさらに備える、請求項１３に記載の装置。
15. 前記検出器は、シンチレータと、前記試料によって回折された広帯域Ｘ線ビームによって前記シンチレータから生成された光子を拡大し収集するための光学部とを含む、請求項１３に記載の装置。
16. 前記試料を照射するＸ線ビームの帯域幅を減じるスペクトルフィルタをさらに備える、請求項１３に記載の装置。
17. 前記試料を照射するビームはコーンビームである、請求項１３に記載の装置。
18. 前記試料を照射するビームは集光されていないＸ線ビームである、請求項１３に記載の装置。
19. 前記少なくとも１つのＸ線検出器は、回折されたＸ線を収集し回折データを生成するための高解像度ピクシレーションＸ線検出器と、前記試料を通して投影像を検出するための解像度がより低い検出器とを含む、請求項１３に記載の装置。
20. 前記少なくとも１つのＸ線検出器は、ラウエ焦点面にあるＸ線検出器を含む、請求項１３に記載の装置。
21. 前記実験室Ｘ線光源は、タングステン、モリブデン、金、白金、銀、または銅のターゲットを電子ビームで照射することにより広帯域Ｘ線ビームを生成する、請求項１３に記載の装置。
22. 前記試料回転ステージは、前記試料を、１増分回転当たり０．０１°〜１５°の範囲で、段階的な増分回転移動によって回転させる、請求項１３に記載の装置。
23. 前記Ｘ線光源からの直進ビームをＸ線検出器に達しないよう遮断するまたは減衰させるためのＸ線絞りをさらに備える、請求項１３に記載の装置。
24. ３次元結晶学的結晶粒方位マッピングのための投影Ｘ線撮像システムであって、
    広帯域Ｘ線ビームを生成するための実験室Ｘ線光源と、
    試料上の照射領域を限定し直進ビームの大きさを制限するビーム画定開口と、
    一連の角投影を取得するための回転ステージを有する試料運動ステージシステムと、
    回折データを収集するための少なくとも１つの検出器と、
    前記検出器から回折データを受け結晶粒方位および位置を３次元で再構成するコントローラとを備える、投影Ｘ線撮像システム。

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