JP2023053904A - Multi beam splitting and redirecting apparatus for tomographic apparatus, tomographic apparatus and method for creating three dimensional tomographic image of sample - Google Patents

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Abstract

To provide a multi beam splitting and redirecting apparatus (4), a tomographic apparatus (2) and a method for creating a three dimensional tomographic image of a sample (42).SOLUTION: A multi beam splitting and redirecting apparatus (4) comprises at least two beam splitters (11, 12, 13, 14, 15, 16), which are arranged on an incidence beam path (22) of a primary beam (20). Every beam splitter (11, 12, 13, 14, 15, 16) is configured to generate a beamlet (31, 32, 33, 34, 35, 36) by scattering the primary beam (20) and to attenuate the primary beam (20). The beam splitters (11, 12, 13, 14, 15, 16) are arranged to have a distance (18) to each other, and all the beamlets (11, 12, 13, 14, 15, 16) are directed to an inspection point (40) being distanced from the incidence beam path (22).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、断層撮影装置用の多重ビーム分割及びリダイレクト(ビームの向きを変える)装置に関する。本発明は更に、断層撮影装置、及び試料(被写体)の3次元断層画像を取得するための方法に関する。 The present invention relates to multiple beam splitting and redirecting devices for tomography. The invention further relates to a tomography apparatus and a method for acquiring a three-dimensional tomographic image of a sample (subject).

多くの科学技術分野及びその応用分野においては、試料に関する3次元情報を取得することが非常に重要である。3次元撮像技術の確立された方法には、コンピュータ断層撮影(CT)又はコンピュータラミノグラフィ(CL)があり、X線ビームを使用して試料を分析する。通常、試料を所定の軸の周りに回転するか、又は、光源及び検出器を試料の周りに回転する。様々な角度から試料の投影像が撮影され、様々なアルゴリズムにより試料の3次元情報を有する3次元データが構成される。 Acquiring three-dimensional information about a sample is of great importance in many scientific fields and their applications. Established methods of three-dimensional imaging technology include computed tomography (CT) or computer laminography (CL), which uses an X-ray beam to analyze a sample. Usually the sample is rotated about a given axis or the light source and detector are rotated about the sample. Projected images of the sample are taken from various angles, and three-dimensional data having three-dimensional information of the sample are constructed by various algorithms.

このアプローチは、試料内の非常に高速なプロセスの動的な3次元情報を取得するための3次元データ取得時間を改善したい場合に、問題に直面する。取得時間を改善するために、試料をこれまで以上に速く回転させる必要があり、その時点で遠心力が試料に影響を及ぼし始める。また、光源と検出器を回転する場合、ある時点で、回転速度の増加は物理的限界に直面する。この物理的限界を回避するための試みとして、多重ビーム実験配置が提案されている。多重ビーム実験配置では、試料は同時に複数のビームに異なる角度から照射される。 This approach faces problems when one wants to improve the 3D data acquisition time to acquire dynamic 3D information of very fast processes within the sample. To improve acquisition time, the sample needs to be spun faster than ever before, at which point centrifugal force begins to affect the sample. Also, when rotating the source and detector, at some point the increase in rotational speed will hit a physical limit. In an attempt to circumvent this physical limitation, multiple beam experimental arrangements have been proposed. In a multi-beam experimental configuration, the sample is simultaneously illuminated by multiple beams from different angles.

非特許文献1では、分析される試料の上流に単結晶が置かれ、単結晶にX線ビームを入射する。単結晶はビームスプリッタとして機能し、入射X線ビームを結晶の複数の格子面で散乱させ、これにより、試料を照射する複数の回折ビームレットを生成する。複数のビームレットが試料を透過することで、複数の角度からの投影像が同時に取得でき、これらから3次元断層画像が取得できる。しかし、この方法では、試料を結晶のすぐ側に配置する必要があり、分析される試料の大きさと可能な測定のタイプを制限する。 In Non-Patent Document 1, a single crystal is placed upstream of the sample to be analyzed and an X-ray beam is incident on the single crystal. A single crystal acts as a beam splitter, scattering an incident X-ray beam at multiple lattice planes of the crystal, thereby producing multiple diffracted beamlets that illuminate the sample. By transmitting a plurality of beamlets through the sample, projection images from a plurality of angles can be obtained simultaneously, and a three-dimensional tomographic image can be obtained from these images. However, this method requires the sample to be placed in close proximity to the crystal, limiting the size of the sample analyzed and the type of measurements possible.

非特許文献2は、双曲線形状に沿って配置されたマルチブレードを有するシリコン結晶を備えた多重ビームX線光学系を開示している。X線ビームを入射すると、ブラッグ回折によりシリコン結晶からX線ビームが生じ、複数の角度から試料を照射する。このようにして、ある角度範囲の投影像が同時に取得できる。しかし、マルチブレードを有するシリコン結晶の作製は複雑であり、また、この方法は大きいサイズのX線ビームを必要とする。 Non-Patent Document 2 discloses a multi-beam X-ray optical system with a silicon crystal having multiple blades arranged along a hyperbolic shape. When an X-ray beam is incident, X-ray beams are generated from the silicon crystal by Bragg diffraction and irradiate the sample from multiple angles. In this way, projection images of a certain angular range can be acquired simultaneously. However, fabrication of silicon crystals with multiple blades is complicated, and this method requires a large size X-ray beam.

「Hard x-ray multi-projection imaging for single-shot approaches」「Optica」2018年11月29日、5巻12号"Hard x-ray multi-projection imaging for single-shot approaches" "Optica" November 29, 2018, Vol. 5, No. 12 「Multibeam x-ray optical system for high-speed tomography」「Optica」2020年5月12日、7巻5号"Multibeam x-ray optical system for high-speed tomography" "Optica" May 12, 2020, Vol. 7, No. 5

本発明の目的は、多重ビーム分割及びリダイレクト装置、断層撮影装置、及び試料の3次元断層画像を取得するための方法を提供することであり、これにより、柔軟で非常に高速なデータ取得が可能になり、従来技術の技術的制約を克服できる。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a multiple beam splitting and redirecting device, a tomography device and a method for acquiring three-dimensional tomographic images of a sample, which allows flexible and very fast data acquisition. and can overcome the technical constraints of the prior art.

目的は、断層撮影装置用の多重ビーム分割及びリダイレクト装置によって解決され、多重ビーム分割及びリダイレクト装置は、少なくとも2つのビームスプリッタを含み、それらはともに一次ビーム(入射ビーム)の経路上に配置され、ここで、すべてのビームスプリッタは、一次ビームを散乱させることによってビームレットを生成し、一次ビームを減衰させるように、且つ互いに距離を空けて配置され、すべてのビームレットは、入射ビーム経路から離れた測定位置(試料位置)に向けられる。 The object is solved by a multiple beam splitting and redirecting device for a tomography apparatus, the multiple beam splitting and redirecting device comprising at least two beam splitters, both of which are arranged on the path of a primary beam (incident beam), Here, all beam splitters generate beamlets by scattering the primary beam and are arranged at a distance from each other to attenuate the primary beam, and all beamlets are spaced apart from the incident beam path. is directed to the desired measurement position (specimen position).

一次ビームは、経路に沿って伝播する間に、ビームスプリッタによって散乱されるたびに減衰される。各ビームスプリッタでは、一次ビームが散乱され、それによって各ビームスプリッタによりビームレットが生成される。ビームスプリッタによって生成された後、ビームレットはそれぞれの経路に沿って測定点までまっすぐに伝播する。測定点には、分析される試料が配置される。試料を透過した後、ビームレットの強度分布を測定して、試料に関する3次元情報を取得する。測定された強度分布は、通常、断層撮影法では投影像と呼ばれる。投影像のセットは、3次元断層画像の取得に適した3D画像データを提供する。 A primary beam is attenuated each time it is scattered by a beam splitter while propagating along its path. At each beam splitter, the primary beam is scattered, thereby producing beamlets by each beam splitter. After being generated by the beam splitter, the beamlets propagate straight along their paths to the measurement point. A sample to be analyzed is placed at the measuring point. After passing through the sample, the intensity distribution of the beamlets is measured to obtain three-dimensional information about the sample. The measured intensity distribution is usually called projection in tomography. A set of projection images provides 3D image data suitable for acquiring 3D tomographic images.

ビームレットは、一次ビーム経路上で互いに距離をおいて配置されたビームスプリッタによって生成されるため、すべてのビームレットは異なる方向から測定点に到達し、断層撮影のための広い角度範囲を提供する。この角度範囲の達成には単一の一次ビームのみで十分であり、試料の大きさには制限はない。 The beamlets are generated by beamsplitters placed at a distance from each other on the primary beam path, so that all beamlets reach the measurement point from different directions, providing a wide angular range for tomography . Only a single primary beam is sufficient to achieve this angular range, and there is no limit to the size of the sample.

上記の最先端の実験配置と比較して、本発明の多重ビーム分割及びリダイレクト装置では、一次ビームの特性、ビームレットの数、ビームレットが測定点に到達する方向、及びビームレットのエネルギーが、すべて容易に調整可能なため、柔軟性が極めて高い。 Compared to the state-of-the-art experimental arrangement described above, in the multiple beam splitting and redirecting device of the present invention, the properties of the primary beams, the number of beamlets, the direction in which the beamlets reach the measurement point, and the energy of the beamlets are Extremely flexible as everything is easily adjustable.

本明細書の文脈において、「断層撮影」という用語は、異なる方向から試料の投影像が撮影され、その後、一般に知られている再構成アルゴリズムを使用して再構成される撮像技術を指す。ここで、断層画像は、断層再構成の数学的プロセスに基づいて取得され、これにより、3D試料情報を有する3D画像データが得られる。断層撮影技術は、特に医療診断の分野でよく知られているものでは、試料は360°全周にわたってスキャンされる。しかし、これは断面画像の断層撮影再構成には絶対に必要というわけではない。この観点から、「断層撮影」という用語は、360°全周の検査技術に限定されると理解されるべきではない。医療診断に用いられる断層撮影技術とは対照的に、本発明の態様断層撮影装置は、360°以下、例えば0°~180°の範囲のスキャン角度で断層撮影を実施するように構成されている。 In the context of this specification, the term "tomography" refers to an imaging technique in which projection images of a sample are taken from different directions and then reconstructed using commonly known reconstruction algorithms. Here, the tomographic image is acquired based on the mathematical process of tomographic reconstruction, which yields 3D image data with 3D sample information. In tomographic techniques, which are well known, especially in the field of medical diagnostics, a specimen is scanned over a full 360° circumference. However, this is not absolutely necessary for tomographic reconstruction of cross-sectional images. From this point of view, the term "tomography" should not be understood as being limited to a full 360° examination technique. In contrast to tomography techniques used in medical diagnostics, embodiments of the tomography apparatus of the present invention are configured to perform tomography at scan angles of 360° or less, for example in the range of 0° to 180°. .

更に、この明細書の文脈では、「ビーム」及び「ビームレット」という用語は、指向性のあるエネルギー放射ビームを指し、電磁波ビーム及び粒子ビームを含んでいる。これらの用語は、特に集束ビーム(1点の方向に向かうビーム)に限定されるものではないと理解される。更に、「ビームレット」という用語は、一次ビームの一部が散乱/反射されて生じるビームを指し、その強度が一次ビームと比較して弱いことを意味すると理解される。本発明の「ビームレット」は測定点に向けて伝播する。ビーム及びビームレットは必ずしも集光されるのではないが、集光することができる。したがって、例えば、測定点の上流、又は下流でビームレットを集光することにより、投影像の倍率を調整することができる。 Further, in the context of this specification, the terms "beam" and "beamlet" refer to directed beams of energy radiation and include electromagnetic beams and particle beams. It is understood that these terms are not specifically limited to focused beams (beams pointing in the direction of a point). Furthermore, the term "beamlet" refers to a beam resulting from scattering/reflection of a portion of the primary beam, and is understood to mean that its intensity is weak compared to the primary beam. The "beamlet" of the present invention propagates towards the measurement point. Beams and beamlets are not necessarily focused, but can be. Thus, for example, the magnification of the projected image can be adjusted by focusing the beamlets upstream or downstream of the measurement point.

ビームスプリッタ間の距離は、事前に決定された特定の距離である。距離は、ビームレットを測定点に向ける必要があるという前提条件によって事前に決定される。しかし、これは距離が固定されることを意味しない。ビームスプリッタは可動式であってもよく、その結果、ビームスプリッタ間の距離は所望の値に調整され得る。測定中でさえ、ビームレットの位置を改善するために、ビームスプリッタ間の距離を僅かに変更する場合もありうる。具体的には、少なくとも2つの連続するビームスプリッタ間の距離は、互いに異なる。例えば、第1のビームスプリッタと第2のビームスプリッタとの間の距離は、第2のビームスプリッタと第3のビームスプリッタとの間の距離より大きくても、小さくてもよい。 The distance between the beam splitters is a certain predetermined distance. The distance is pre-determined by the assumption that the beamlet needs to be directed to the measurement point. However, this does not mean that the distance is fixed. The beam splitters may be movable so that the distance between the beam splitters can be adjusted to the desired value. Even during the measurement it is possible to slightly change the distance between the beamsplitters in order to improve the position of the beamlets. Specifically, the distances between at least two consecutive beam splitters are different from each other. For example, the distance between the first beam splitter and the second beam splitter may be greater or less than the distance between the second beam splitter and the third beam splitter.

好ましくは、少なくとも2つのビームスプリッタは結晶であり、それらは一次ビームを結晶の格子面により散乱することによってビームレットを生成する。このときビームスプリッタは振幅スプリッタになる。 Preferably, the at least two beam splitters are crystals and they generate beamlets by scattering the primary beam by the lattice planes of the crystal. At this time, the beam splitter becomes an amplitude splitter.

この明細書の文脈では、振幅スプリッタはビームスプリッタであり、入射ビームの振幅を分割する。対照的に、波面スプリッタはビームスプリッタであり、入射ビームのビームプロファイルを分割する。 In the context of this specification, an amplitude splitter is a beam splitter that splits the amplitude of an incoming beam. In contrast, a wavefront splitter is a beam splitter that splits the beam profile of an incident beam.

X線ビームが固体に当たると、そのビームは固体中の原子によって散乱される。固体が結晶の場合、X線ビームが結晶に適切な入射角で当たると、格子面により反射されたX線の強め合いの干渉により散乱ビームが生成される。ビームスプリッタの1つとして使用される結晶は、その格子面の1つで一次ビームを散乱させ、それによってビームレットを生成し、一次ビームを減衰させる。 When an x-ray beam hits a solid, the beam is scattered by the atoms in the solid. If the solid is a crystal, when the X-ray beam hits the crystal at the proper angle of incidence, the constructive interference of the X-rays reflected by the lattice planes produces a scattered beam. A crystal used as one of the beam splitters scatters the primary beam on one of its lattice planes, thereby generating beamlets and attenuating the primary beam.

可視光スペクトル領域において通常使用されるビームスプリッタはX線又はガンマ線などの高エネルギービームに使用できないため、これらのビーム用のビームスプリッタとして使用できることが結晶のメリットである。 It is an advantage of crystals that they can be used as beamsplitters for high energy beams such as X-rays or gamma rays, since beamsplitters commonly used in the visible spectral region cannot be used for these beams.

X線ビームが結晶で散乱される角度は、ビームの波長、ビームを散乱する格子面の間隔、及びミラー指数として与えられる回折の次数に依存する。このため、結晶は適切な方向に配置される必要があり、その結果、一次ビームは適切な角度で結晶に入射し、特定の波長の一次ビームが所望のミラー指数の格子面によって散乱される。 The angle at which an X-ray beam is scattered by a crystal depends on the wavelength of the beam, the spacing of the lattice planes scattering the beam, and the order of diffraction given as the Miller index. For this reason, the crystal must be properly oriented so that the primary beam is incident on the crystal at the proper angle and the primary beam of a particular wavelength is scattered by the lattice planes of the desired Miller indices.

例えば、第1のビームスプリッタは(111)格子面で一次ビームを散乱するように配置でき、第2のビームスプリッタは(004)格子面で一次ビームを散乱するように配置でき、第3のビームスプリッタは(333)格子面で一次ビームを散乱するように配置できる。 For example, a first beam splitter can be arranged to scatter the primary beam on the (111) grating planes, a second beam splitter can be arranged to scatter the primary beam on the (004) grating planes, and a third beam The splitter can be arranged to scatter the primary beam at the (333) grating planes.

具体的には、ビームスプリッタの少なくとも1つを、単一の元素のみを含む結晶にする。結晶性物質としては、例えば、ダイヤモンド、シリコン、ゲルマニウム、又はタングステンがあるが、元素周期表のリチウムからウランまでの任意の元素であり得る。ビームスプリッタは、単結晶又は多結晶性物質で、例えば、モザイク結晶又は欠陥のある単結晶でもよい。ビームスプリッタはまた、複数の化学元素で構成されてもよく、例えば、SiC、SiGe、GaAs、CdTeがあるが、結晶構造をとる周期表の化学元素の任意の組み合わせでよい。ビームスプリッタは、有機結晶を形成する複雑な分子の結晶からも作製され得る。 Specifically, at least one of the beam splitters is a crystal containing only a single element. Crystalline materials include, for example, diamond, silicon, germanium, or tungsten, but can be any element from lithium to uranium in the periodic table of the elements. The beamsplitter may be a single crystal or polycrystalline material, for example a mosaic crystal or a single crystal with defects. The beamsplitter may also be composed of multiple chemical elements, for example SiC, SiGe, GaAs, CdTe, but may be any combination of chemical elements of the periodic table in a crystalline structure. Beam splitters can also be made from complex molecular crystals forming organic crystals.

ビームスプリッタとして使用される振幅スプリッタの代わりに、波面スプリッタ、例えば、結晶、回折格子、多層膜又はミラーを用いてもよい。この場合、各ビームレットのビームサイズは小さいが、エネルギーバンド幅をより広くできる配置が考えられる。このような配置における波面スプリッタとしては、ビームサイズを拡大できる非対称反射の使用が特に有用であり、入射一次ビームのエネルギーバンド幅を大きくできるだけでなく、ビームレットのビームサイズを大きくでき、波面分割により一次ビームが小さく分割されてしまう効果を相殺できる。この配置は、単色性の高い一次ビームの場合に特に有用である。すなわち、この場合、振幅スプリッタを用いた配置は、いちばん上流のビームスプリッタが一次ビームの大部分を回折するために使用できないためである。単色性の高い一次ビームの場合でも、複数のビームレットの生成は一連の波面スプリッタを用いれば実現でき、非対称反射によるビームサイズ拡大のために、十分な大きさのビームレットが維持できる。 Instead of amplitude splitters used as beam splitters, wavefront splitters such as crystals, gratings, multilayers or mirrors may be used. In this case, although the beam size of each beamlet is small, an arrangement that can widen the energy band width can be considered. The use of asymmetric reflection as a wavefront splitter in such an arrangement is particularly useful as it can expand the beam size, and not only can increase the energy bandwidth of the incident primary beam, but also can increase the beam size of the beamlets, which allows wavefront splitting to The effect of splitting the primary beam into smaller pieces can be offset. This arrangement is particularly useful for highly monochromatic primary beams. That is, in this case the arrangement with the amplitude splitter cannot be used to diffract most of the primary beam because the most upstream beam splitter cannot be used. Even for highly monochromatic primary beams, the generation of multiple beamlets can be achieved using a series of wavefront splitters to maintain beamlets large enough for beam size expansion by asymmetric reflection.

本発明の態様による多重ビーム分割及びリダイレクト装置により、例えば、シンクロトロン放射光を用いれば、3D情報をkHzオーダーのサンプリングレートで実現することができる。X線自由電子レーザ(XFEL)は、MHz領域のサンプリングレートでパルス列を生成することができ、MHz領域の繰り返し周波数で生成される各パルスを使用して、MHzサンプリングレートで3D情報を取得できる。HzレートからMHzレートまでのパルス列を生成できるXFELの場合、本発明は、単一のX線パルスによる露光によって、ピコ秒からナノ秒オーダーのサンプリングレートで2D及び3D画像の取得を可能にする。多重ビーム分割及びリダイレクト装置の技術により、試料を透過し、かつ角度的に分離されたファン状のビームレット群が生成でき、各ビームレットは、入力スペクトルから狭エネルギーバンド幅を選択できるため、各ビームレットにより異なるX線エネルギーに対する投影像が取得できる。これにより、エネルギー分解3D情報が取得できる高度な断層撮影技術が実現できる。多重ビーム分割及びリダイレクト装置は一次ビームを1つの平面内で分割するため、2つ以上の一次ビームが存在する場合には、複数の平面に対して実現可能である。試料への入射ビームの数は、投影像の数を決める。1μm未満の高い空間分解能は、集光光学系、例えば、具体的にはナノメートルスケールの焦点サイズを有する集光素子を試料の前に使用して、拡大光学系を活用するか、或いは、拡大/縮小光学系を試料の直後に配置して、可視光顕微鏡、例えば、デフォーカス顕微鏡と同様の配置にすることによって実現できる。 Multiple beam splitting and redirecting devices according to aspects of the present invention allow 3D information to be realized at sampling rates on the order of kHz, for example using synchrotron radiation. X-ray free electron lasers (XFEL) can generate pulse trains with sampling rates in the MHz range, and each pulse generated with repetition frequencies in the MHz range can be used to acquire 3D information at MHz sampling rates. For XFELs capable of generating pulse trains from Hz to MHz rates, the present invention enables the acquisition of 2D and 3D images at sampling rates on the order of picoseconds to nanoseconds by exposure with a single X-ray pulse. The technique of multiple beam splitting and redirecting devices can generate groups of angularly separated fan-like beamlets that pass through the sample, and each beamlet can select a narrow energy bandwidth from the input spectrum, so that each The beamlets can acquire projection images for different x-ray energies. This makes it possible to realize an advanced tomography technique capable of acquiring energy-resolved 3D information. Since the multiple beam splitting and redirecting device splits the primary beams in one plane, it can be implemented for multiple planes if there are more than one primary beams. The number of incident beams on the sample determines the number of projected images. A high spatial resolution of less than 1 μm can be achieved by using a collection optic, e.g. It can be realized by placing a /reduction optical system immediately after the sample to make it similar to a visible light microscope, for example, a defocus microscope.

更に、本発明の多重ビーム分割及びリダイレクト装置を用いて、X線3D撮像において試料回転によって決まる限界を克服でき、MHzに至る3D画像データ取得レートを達成することが可能である。3D動画は、ミリ秒からナノ秒のフレーム間隔で取得してよい。3D画像の取得レートは、試料自体の回転速度、又は試料まわりの回転速度で決まる遠心力に起因する基本的な物理的限界によって制限されない。 Furthermore, with the multiple beam splitting and redirecting apparatus of the present invention, it is possible to overcome the limitations imposed by sample rotation in X-ray 3D imaging and achieve 3D image data acquisition rates up to MHz. 3D movies may be acquired with millisecond to nanosecond frame intervals. The acquisition rate of 3D images is not limited by fundamental physical limits due to the centrifugal force dictated by the rotation speed of the sample itself or around the sample.

本発明の多重ビーム分割及びリダイレクト装置はまた、X線を用いた撮像に対するピコ秒及びフェムト秒の壁を乗り越える。本発明の多重ビーム分割及びリダイレクト装置では、2D画像の取得レートが検出器の取得レートの限界によって制限されない。実際、ナノ秒のフレームレート未満で動作する検出器はなく、フレームレートの限界は、基本的な物理的限界、つまり電子の半導体内での電荷キャリア移動度の限界によって決まっており、2D検出器のサンプリングレートを1ナノ秒未満にすることはできない。したがって、ピコ秒のフレームレートで動作する検出器は存在しなかった。本明細書で記述される実験配置では、この基本的な限界の問題を回避することができる。 The multiple beam splitting and redirecting apparatus of the present invention also overcomes the picosecond and femtosecond barriers to imaging with X-rays. With the multiple beam splitting and redirecting apparatus of the present invention, the 2D image acquisition rate is not limited by detector acquisition rate limitations. In fact, no detector operates below the nanosecond frame rate, and the frame rate limit is set by a fundamental physical limit, namely the limit of charge carrier mobility in semiconductors for electrons, and 2D detectors cannot be less than 1 ns sampling rate. Therefore, there have been no detectors operating at picosecond frame rates. The experimental arrangement described here can circumvent this fundamental limitation problem.

更に、本発明の多重ビーム分割及びリダイレクト装置は、3D撮像に関するピコ秒の壁を乗り越え、ピコ秒オーダーの時間間隔のフレームレートの3D動画、すなわち、3DGHz動画を実現する。本発明の多重ビーム分割及びリダイレクト装置を用いて、ピコ秒の時間スケールで3D画像を記録することが可能である。3D画像の取得レートは、回転速度で決まる基本的な物理的限界によって、又は検出器のフレームレートの限界によって制限されない。 Moreover, the multiple beam splitting and redirecting apparatus of the present invention overcomes the picosecond barrier for 3D imaging and realizes 3D motion pictures with frame rates of time intervals on the order of picoseconds, i.e. 3D GHz motion pictures. Using the multiple beam splitting and redirecting apparatus of the present invention, it is possible to record 3D images on the picosecond time scale. The acquisition rate of 3D images is not limited by fundamental physical limits dictated by rotational speed or by detector frame rate limits.

ビームスプリッタによって生成されたビームレットは、試料を透過して、試料の投影像をそれぞれ異なる投影方向からそれぞれ生成する。各投影像は、それぞれのビームレットに対してそれぞれ異なる検出器によって記録されてもよく、すべての投影像を撮影するのに十分な視野の単一の検出器によって、又は複数の検出器の組み合わせによって撮影されてもよい。各ビームレットは、異なる光路を伝播した後に試料に到達するため、各ビームレットは異なる距離を伝播し、それゆえ、投影像は、伝播距離の差を光速で割って求まる時間に相当する時間差を有する。この時間差は、ビームスプリッタ間の距離に依存し、実際の応用においては、ピコ秒からナノ秒オーダーに設定できる。すべての投影像は、試料も、ビームスプリッタ、光源又は検出器も動かすことなく記録される。試料又は検出器を回転させる代わりに、ビームが試料の周りを「回転」する。投影像の撮影時間の差は、ピコ秒オーダーからナノ秒オーダーである。 The beamlets generated by the beam splitter pass through the specimen to produce projected images of the specimen from different projection directions. Each projection may be recorded by a different detector for each beamlet, by a single detector with a field of view sufficient to capture all projections, or by a combination of multiple detectors. may be taken by Since each beamlet reaches the sample after propagating a different optical path, each beamlet propagates a different distance, so the projected images have a time difference corresponding to the time obtained by dividing the difference in propagation distance by the speed of light. have. This time difference depends on the distance between the beam splitters and can be set on the order of picoseconds to nanoseconds in practical applications. All projection images are recorded without moving the sample, the beam splitter, the light source or the detector. Instead of rotating the sample or detector, the beam "rotates" around the sample. The difference in imaging time of the projected images is on the order of picoseconds to nanoseconds.

多重ビーム分割及びリダイレクト装置は、3つのモダリティで使用され得る。 Multiple beam splitting and redirecting devices can be used in three modalities.

3DMHz撮像の場合、すべての投影像の時間差はサブマイクロ秒又はナノ秒オーダーであればよく、投影像のピコ秒オーダーの時間差は重要ではない。投影像のピコ秒の時間差は、kHz3D撮像には更に重要ではなく、その場合はすべての投影像の時間差がサブミリ秒又はマイクロ秒の時間範囲であればよい。したがって、3DMHzオーダー又はkHzオーダーのサンプリングレートでの撮像に対しては、試料の速度が適切であれば、すべての投影像は同時に取得されたものと見なされ得る。これらの投影から、3DMHz又はkHz画像を再構成することが可能であり、各画像は、言及されたサンプリングレートで撮影された断層撮影フレームである。当然、3DMHz又はkHzの動画を取得するため、投影像を記録するカメラ又は検出器は、MHz又はkHzのフレームレートで動作する必要がある。 For 3DMHz imaging, the time difference between all projected images may be on the order of sub-microseconds or nanoseconds, and the time difference between projected images on the order of picoseconds is not important. The picosecond time difference of the projections is even less important for kHz 3D imaging, in which case the time difference of all projections may be in the sub-millisecond or microsecond time range. Therefore, for imaging with sampling rates on the order of 3 DMHz or kHz, all projections can be considered acquired simultaneously if the sample velocity is adequate. From these projections it is possible to reconstruct 3DMHz or kHz images, each image being a tomographic frame taken at the mentioned sampling rate. Of course, in order to obtain 3DMHz or kHz motion pictures, the cameras or detectors recording the projection images must operate at MHz or kHz frame rates.

2DGHz撮像の場合、投影像間の時間差はピコ秒オーダーである。様々な物質と格子面方位をビームスプリッタとして選択することにより、動的現象の2D画像をピコ秒の時間スケールで、つまりGHz2D動画で記録することができる。多重ビーム分割及びリダイレクト装置を使用すると、2DGHz動画は、ピコ秒以下のパルス幅の単バンチのX線を使用することにより、「低速」検出器を用いてさえも撮影され得る。実際、各検出器によって記録された画像は、他の検出器との間にピコ秒オーダーの時間差があり、それらはGHz2D動画に組み込まれ得る。 For 2D GHz imaging, the time difference between projected images is on the order of picoseconds. By choosing different materials and lattice orientations as beamsplitters, 2D images of dynamic phenomena can be recorded on the picosecond time scale, ie GHz 2D movies. Using multiple beam splitting and redirecting devices, 2D GHz movies can be imaged even with a "slow" detector by using a single bunch of X-rays with sub-picosecond pulse widths. In fact, the images recorded by each detector have a time difference of the order of picoseconds from the other detectors, which can be incorporated into a GHz 2D movie.

上記のマルチビーム分割及びリダイレクト装置は、別のビーム分割方法及び配置と組み合わせて、3DGHz撮像を実現することもできる。実際に、一次ビームは、前述の多重ビーム分割及びリダイレクト装置の入射ビームとして2つ以上に分割できて、それぞれの多重ビーム分割及びリダイレクト装置を使用するのに十分な強度を有し得る。したがって、一次ビームの各ブランチは、多重ビーム分割及びリダイレクト装置の入射ビームとして使用され得て、すべての多重ビーム分割及びリダイレクト装置は同じ試料を撮像する。多重ビーム分割及びリダイレクト装置と、ビームスプリッタと、を適切な距離に配置すると、すべての多重ビーム分割及びリダイレクト装置から生じるビームレットを、正確に同時刻に、異なる方向から試料に当てることができる。したがって、これらのビームレットは異なる角度から、正確に同時に試料の投影像を生成し、得られた投影像から試料の3D画像を再構成することができる。一般には、各多重ビーム分割及びリダイレクト装置から生じるビームレットはピコ秒オーダーの時間差を有する。したがって、上記の複数の多重ビーム分割及びリダイレクト装置は、試料の投影像のセットを生成し、各セットは、別のセットに対してピコ秒オーダーの時間差があり、各セットは、正確に同時に、しかし異なる角度から撮影された複数の投影像を与え得る。各セットから試料の瞬間的な3D画像を再構成し得るが、これらの3D画像は別のセットとピコ秒オーダーの時間差があるため、各フレームの時間差がピコ秒の3D動画、つまり3DGHz動画を実現する。 The multi-beam splitting and redirecting apparatus described above can also be combined with other beam splitting methods and arrangements to achieve 3D GHz imaging. In practice, the primary beam can be split into two or more beams as the incident beams of the multiple beam splitting and redirecting devices described above and have sufficient intensity to use the respective multiple beam splitting and redirecting devices. Therefore, each branch of the primary beam can be used as an input beam for multiple beam splitting and redirecting devices, all of which image the same sample. By placing the multiple beam splitting and redirecting devices and the beam splitters at appropriate distances, the beamlets originating from all the multiple beam splitting and redirecting devices can hit the sample exactly at the same time and from different directions. These beamlets can therefore produce projections of the sample from different angles exactly simultaneously, and from the resulting projections a 3D image of the sample can be reconstructed. In general, the beamlets emanating from each multiple beam splitting and redirecting device have time differences on the order of picoseconds. Thus, the plurality of multiple beam splitting and redirecting devices described above produces a set of projection images of the specimen, each set separated in time from another set on the order of picoseconds, each set being precisely simultaneously However, it can provide multiple projection images taken from different angles. An instantaneous 3D image of the sample can be reconstructed from each set, but since these 3D images have a time difference of the order of picoseconds from another set, a 3D movie with a time difference of picoseconds between each frame, i.e., a 3D GHz movie, is generated. come true.

結晶ビームスプリッタの他に、ビームスプリッタは、屈折型又は反射型のマイクロ及びナノ微細加工プロセスで作製されたビームスプリッタであり得る。マイクロ及びナノプロセスで作製されたビームスプリッタでは、ビーム分割のために作製された周期構造によるコヒーレント回折を使用する。例として、回折格子、透明な支持膜の上に作製された周期的2D構造、及びゾーンプレートなどがある。屈折及び反射型のビームスプリッタは、可視光用のビームスプリッタのように、ビーム分割のためにコヒーレント回折の代わりに屈折又は反射を使用する。これらのタイプのビームスプリッタは、主に、UV光を含む比較的低いエネルギーのビームで使用される。これらのビームスプリッタとしては、多層膜構造、並びに、マイクロ及びナノプロセスで作製された構造があり、例えばキャピラリレンズ、ラウエレンズなどがある。多層膜ミラーや、微小角入射ミラーも使用でき、ビームスプリッタとみなし得る。通常、このタイプのビームスプリッタは波面ビームスプリッタとして機能するが、十分に薄い場合には、ミラーは振幅ビームスプリッタとしても使用され得る。 Besides crystal beam splitters, the beam splitters can be refractive or reflective beam splitters made with micro- and nano-microfabrication processes. Micro- and nano-fabricated beam splitters use coherent diffraction due to periodic structures fabricated for beam splitting. Examples include diffraction gratings, periodic 2D structures fabricated on transparent support films, and zone plates. Refractive and reflective beamsplitters, like beamsplitters for visible light, use refraction or reflection instead of coherent diffraction for beam splitting. These types of beamsplitters are primarily used with relatively low energy beams, including UV light. These beam splitters include multilayer structures and structures fabricated by micro- and nano-processes, such as capillary lenses and Laue lenses. A multilayer mirror or a small angle incidence mirror can also be used and can be regarded as a beam splitter. Usually this type of beamsplitter functions as a wavefront beamsplitter, but if thin enough the mirror can also be used as an amplitude beamsplitter.

好ましくは、少なくとも2つのビームスプリッタのうちの少なくとも1つが、反射配置で一次ビームを散乱するように構成されているか、或いは、少なくとも2つのビームスプリッタのうちの少なくとも1つが、透過配置で一次ビームを散乱するように構成されているか、の少なくとも一方の構成を有する。 Preferably, at least one of the at least two beam splitters is configured to scatter the primary beam in a reflective configuration, or at least one of the at least two beam splitters scatters the primary beam in a transmissive configuration. configured to scatter and/or have a configuration.

反射配置は、ブラッグケースとも呼ばれるが、特に対称ブラッグケースでは、一次ビームを回折する格子面は結晶の主表面に平行である。透過配置は、ラウエケースとも呼ばれるが、特に対称ラウエケースでは、一次ビームを回折する格子面は結晶の主表面に垂直である。本発明の文脈において、結晶の主表面は、一次ビームが最初に当たる表面として定義される。 The reflection configuration, also called the Bragg case, but especially in the symmetric Bragg case, the lattice planes that diffract the primary beam are parallel to the major surfaces of the crystal. The transmission configuration, also called the Laue case, especially in the symmetric Laue case, the lattice planes that diffract the primary beam are perpendicular to the major surfaces of the crystal. In the context of the present invention, the main surface of the crystal is defined as the surface first hit by the primary beam.

本発明の一実施形態によると、ビームスプリッタのそれぞれは、具体的には、特定の結晶性物質を選択する構成と、特定の格子面で一次ビームを回折するように結晶方位を調整する構成と、の少なくとも一方によって、一次ビームのエネルギースペクトルのうちの特定のエネルギースペクトル幅(一次ビームのエネルギースペクトルの異なる一部であって、異なる平均エネルギー及びエネルギーバンド幅)を散乱するように構成及び/又は調整される。 According to one embodiment of the present invention, each of the beamsplitters is specifically configured to select a particular crystalline material and to adjust the crystallographic orientation to diffract the primary beam at a particular lattice plane. and/or to scatter particular energy spectral widths of the energy spectrum of the primary beam (different portions of the energy spectrum of the primary beam, with different average energies and energy bandwidths) by at least one of adjusted.

多重ビーム分割及びリダイレクト装置は、一次ビームのエネルギースペクトルの異なる一部を散乱するようにすべてのビームスプリッタを構成及び/又は調整することにより、エネルギーバンド幅を有する一次ビームを効率的に使用できる。加えて、ビームスプリッタによって生成されたすべてのビームレットは、一次ビームの強度がビームスプリッタを透過する際に連続的に減衰したとしても、依然として十分な、そして実質的に同じエネルギーを有し得ることも保証される。 A multiple beam splitting and redirecting device can efficiently use a primary beam having an energy bandwidth by configuring and/or adjusting all beam splitters to scatter different portions of the energy spectrum of the primary beam. In addition, all beamlets generated by the beam splitter may still have sufficient and substantially the same energy even though the intensity of the primary beam is continuously attenuated as it passes through the beam splitter. is also guaranteed.

異なる結晶性物質は、異なる格子面間隔を提供する。ビームスプリッタに用いる物質を変えて、これによって格子面間隔を変えることで、ある角度において異なるエネルギーのビームが散乱される。これにより、測定点の方向に散乱させるビームレットのエネルギーを調整することができる。ビームレットのエネルギーの調整は、ある結晶の方位を変えて、異なる格子面間隔を有する別の格子面で一次ビームを回折するように調整することによっても達成され得る。 Different crystalline materials provide different interplanar spacings. By changing the material used in the beam splitter and thereby changing the interplanar spacing, beams of different energies are scattered at certain angles. This makes it possible to adjust the energy of the beamlets scattered in the direction of the measurement point. Tuning of the energy of the beamlets can also be achieved by changing the orientation of one crystal to tune the diffracting of the primary beam on another lattice plane with a different lattice spacing.

具体的には、一次ビームは、白色ビーム、ピンクビーム、単色ビームの少なくとも一つであり、ここで、白色ビームのエネルギーバンド幅dE/Eは実質的に10であり、ピンクビームのエネルギーバンド幅dE/Eは実質的に10-2であり、単色ビームのエネルギーバンド幅dE/Eは実質的に10-4である。Eは平均X線エネルギーであり、dEはX線エネルギーのエネルギーバンド幅の半分である。 Specifically, the primary beam is at least one of a white beam, a pink beam, and a monochromatic beam, wherein the energy bandwidth dE/E of the white beam is substantially 100 , and the energy band of the pink beam The width dE/E is substantially 10 −2 and the energy bandwidth dE/E of the monochromatic beam is substantially 10 −4 . E is the average x-ray energy and dE is half the energy bandwidth of the x-ray energy.

白色ビームとピンクビームは、広いエネルギーバンド幅のスペクトルを有する点で有利である。スペクトルのエネルギーバンド幅が広いため、各ビームスプリッタは、多数のビームスプリッタが含まれている場合でさえ、一次ビームのエネルギースペクトルの異なる一部を散乱することが可能である。単色ビームは狭いエネルギーバンド幅を提供し、単一のエネルギー、すなわち一次ビームのエネルギーでの試料の撮影を可能にする。 White beams and pink beams are advantageous in that they have broad energy bandwidth spectra. Due to the wide spectral energy bandwidth, each beamsplitter can scatter a different portion of the energy spectrum of the primary beam, even when multiple beamsplitters are included. A monochromatic beam provides a narrow energy bandwidth, allowing imaging of the sample at a single energy, ie the energy of the primary beam.

好ましくは、一次ビームは、具体的には、パルス化されたX線ビーム、ガンマ線ビーム、中性子ビーム、又は極端紫外線(EUV)ビームであり、ここでEUVビームの波長は120nm未満である。例えば、一次ビームの波長は0.01~1nmである。この波長は、一次ビームに適していることが示されている。しかし、さらに波長が長い、又は短い一次ビームも、使用される場合がある。 Preferably, the primary beam is in particular a pulsed X-ray beam, a gamma ray beam, a neutron beam or an extreme ultraviolet (EUV) beam, wherein the EUV beam has a wavelength of less than 120 nm. For example, the wavelength of the primary beam is 0.01-1 nm. This wavelength has been shown to be suitable for the primary beam. However, longer or shorter wavelength primary beams may also be used.

X線は、3Dデータを取得するために広く使用されるツールである。実験室光源からシンクロトロン光源及びX線自由電子レーザ(XFEL)源に至るまで多くの高輝度X線源が存在し、多重ビーム分割及びリダイレクト装置の一次ビームとして最適なX線ビームを提供する。ガンマ線は主にその発生源がX線とは異なり、必ずしもエネルギースペクトルが異なるわけではないため、ガンマ線も多重ビーム分割及びリダイレクト装置の一次ビームに適する。加えて、多重ビーム分割及びリダイレクト装置はまた、中性子ビームでも使用され得る。これは中性子回折がX線回折と非常に似ているためである。 X-rays are a widely used tool for acquiring 3D data. A number of high brightness X-ray sources exist, ranging from laboratory sources to synchrotron sources and X-ray free electron laser (XFEL) sources, providing an optimal X-ray beam as the primary beam for multiple beam splitting and redirecting devices. Gamma rays are also suitable for the primary beam of multiple beam splitting and redirecting devices, primarily because they differ from x-rays in their primary source and not necessarily in their energy spectrum. In addition, multiple beam splitting and redirecting devices can also be used with neutron beams. This is because neutron diffraction is very similar to X-ray diffraction.

中性子用のビームスプリッタでは、X線ビームスプリッタと同じコヒーレント回折のメカニズムを使用できる。これは、中性子はX線と同様に波として扱うことができるためである。中性子用ビームスプリッタの実施形態においては、中性子吸収の散乱断面積が大きくない物質、例えば、ホウ素などの使用が好ましい。当然、これらの実施形態では、ビームスプリッタの散乱角はビームレットの強度と同様に再計算する必要がある。 Neutron beamsplitters can use the same coherent diffraction mechanism as X-ray beamsplitters. This is because neutrons can be treated as waves like X-rays. In embodiments of the neutron beamsplitter, it is preferred to use a material that does not have a large scattering cross section for neutron absorption, such as boron. Of course, in these embodiments, the beamsplitter scattering angles need to be recalculated as well as the beamlet intensities.

UV用については、前述のすべてのタイプのビームスプリッタが存在し、結晶性ビームスプリッタ、回折格子、マイクロ及びナノプロセスで作製されたビームスプリッタ、並びに屈折又は反射ビームスプリッタが挙げられる。 For UV applications, all types of beamsplitters mentioned above exist, including crystalline beamsplitters, diffraction gratings, micro- and nanoprocessed beamsplitters, and refractive or reflective beamsplitters.

好ましくは、少なくとも2つのビームスプリッタは、ビームレット方向に沿ってビームレットを生成するように構成される。ここで、各ビームレットのビームレット方向は、一次ビームの方向に対して異なる角度をなすものとする。 Preferably, the at least two beam splitters are arranged to generate beamlets along the beamlet direction. Here, the beamlet direction of each beamlet is assumed to form a different angle with respect to the direction of the primary beam.

例えば、ブラッグ回折により一次ビームを散乱する結晶ビームスプリッタの場合には、各ビームスプリッタによる散乱は異なるブラッグ角度で生じる。 For example, in the case of a crystal beamsplitter that scatters the primary beam by Bragg diffraction, scattering by each beamsplitter occurs at a different Bragg angle.

一次ビームの方向に対して異なるビームレット角度をなすビームレットを生成することにより、すべてのビームレットは異なる方向から測定点に到達し、これによって断層撮影のための広い角度範囲を提供する。 By generating beamlets with different beamlet angles with respect to the direction of the primary beam, all beamlets reach the measurement point from different directions, thereby providing a wide angular range for tomography.

少なくとも2つのビームスプリッタは、好ましくは、第1のビームスプリッタ及び第2のビームスプリッタを含み、ここで第1のビームスプリッタによって生成される第1のビームレットは、第2のビームスプリッタによって生成される第2のビームレットとのある角度をなし、その角度は0.1°~179.9°の間であって、具体的には0.1°~90°、0.1°~60°の間であってもよい。 The at least two beam splitters preferably comprise a first beam splitter and a second beam splitter, wherein a first beamlet produced by the first beam splitter is produced by the second beam splitter. with the second beamlet, the angle being between 0.1° and 179.9°, specifically between 0.1° and 90°, may be between

ビームレットがなす角度が大きくなると、より大きい角度範囲で断層撮影ができる。連続するビームスプリッタのビームレット間の角度は、具体的には、常に0°より高く180°より低くなる。 Larger beamlet angles allow for tomography over a wider range of angles. The angle between beamlets of successive beam splitters is, in particular, always higher than 0° and lower than 180°.

例えば、2つの連続するビームスプリッタのビームレット間の角度は、少なくとも1°である。 For example, the angle between beamlets of two successive beam splitters is at least 1°.

好ましくは、ビームスプリッタの少なくとも1つは、湾曲結晶及び/又はモザイク結晶を含む構成と、原子番号が3~92の元素からなる結晶、もしくは、原子番号3~92の元素を含む結晶である。また、より好ましくは、原子番号が3、6、9、32、及び49の元素から選択された少なくとも二つの元素からなる構成であり、より好ましくは、原子番号が3,6,9,32,49の元素から選択される少なくとも二つの元素を含む結晶である。 Preferably, at least one of the beam splitters is of a configuration comprising a curved crystal and/or a mosaic crystal, a crystal consisting of an element with an atomic number of 3-92, or a crystal containing an element with an atomic number of 3-92. Further, more preferably, the structure is composed of at least two elements selected from elements having atomic numbers of 3, 6, 9, 32, and 49, and more preferably, atomic numbers of 3, 6, 9, 32, A crystal containing at least two elements selected from the 49 elements.

リチウムの原子番号は3であり、炭素の原子番号は6であり、フッ素の原子番号は9であり、ゲルマニウムの原子番号は32であり、そしてインジウムの原子番号は49である。湾曲結晶、モザイク結晶、及び/又は原子番号の大きい元素からなる結晶を使用することにより、結晶エネルギーバンド幅、つまり散乱されたビームレットのエネルギーバンド幅を広げられる。エネルギーバンド幅の広い結晶では、結晶は一次ビームのエネルギースペクトルのより広いエネルギー幅を回折する。これに加えて、結晶を透過した後の一次ビームの発散は増加する。結晶のエネルギーバンド幅は、結晶によって散乱されたビームレットのエネルギーの半値全幅(FWHM)である。 Lithium has an atomic number of 3, carbon has an atomic number of 6, fluorine has an atomic number of 9, germanium has an atomic number of 32, and indium has an atomic number of 49. The use of curved crystals, mosaic crystals, and/or crystals composed of high atomic number elements broadens the crystal energy bandwidth, and thus the energy bandwidth of the scattered beamlets. In a wide energy band crystal, the crystal diffracts a wider energy band in the energy spectrum of the primary beam. In addition to this, the divergence of the primary beam after transmission through the crystal increases. The energy bandwidth of a crystal is the full width at half maximum (FWHM) of the energy of beamlets scattered by the crystal.

具体的には、結晶、は例えば、単に結晶内の格子面の湾曲によって曲げられる。結晶内の格子面の湾曲は、例えば、選択的なイオン注入及び/又は明確な組成勾配を導入することにより達成され得る。モザイク結晶は、互いにわずかに方位の異なる多数の結晶子で構成される結晶、又は内部欠陥若しくは歪みがある結晶である。 Specifically, the crystal, for example, is bent simply by the curvature of the lattice planes within the crystal. Curvature of lattice planes in the crystal can be achieved, for example, by introducing selective ion implantation and/or a well-defined compositional gradient. Mosaic crystals are crystals composed of a large number of crystallites with slightly different orientations from each other, or crystals with internal defects or distortions.

結晶のエネルギーバンド幅の拡大は、また、原子番号の大きい元素、例えばゲルマニウム又はインジウムを使用することで達成され得る。複数の元素からなる結晶では、例えばアンチモン化合物がビームスプリッタとして選択される場合、結晶の平均原子番号は、具体的には、少なくとも32、例えば少なくとも49である。 Broadening the energy band width of the crystal can also be achieved by using higher atomic number elements such as germanium or indium. In a multi-element crystal, for example when an antimony compound is selected as the beam splitter, the average atomic number of the crystal is in particular at least 32, for example at least 49.

具体的には、ビームレットのフラックス(単位時間あたりのX線フォトン数)は、結晶のスペクトルアクセプタンスを広げること、及び微小角入射配置を用いた非対称回折を用いることの少なくとも一方によって増やすことができる。後者ではビームサイズが拡大される。 Specifically, the beamlet flux (number of X-ray photons per unit time) can be increased by broadening the spectral acceptance of the crystal and/or using asymmetric diffraction with a low-angle incidence geometry. . The latter expands the beam size.

好ましくは、少なくとも2つのビームスプリッタは、1つの単一の部品、具体的には単結晶の一部であり、この単一の部品は、互いに角度の異なる複数の散乱表面からなる。具体的には、この単一の部品は、曲げられたり、溝が掘られたり、又はパターン化されたりすることで、複数の散乱表面を有する。上記単一の部品は、例えば、単結晶を含む。この実験配置は、単一スプリッタ配置とも呼ばれる。この配置の有利な点は、散乱表面の大きさを10μmオーダーまで小さくできるため、非常に省スペースな配置が実現できることである。この配置では、回折素子の間を小さくできるため、ビームレット間の時間遅延をフェムト秒オーダーにでき、THzサンプリングレートで非常に高速な2D撮像が可能になる。具体的には、複数の単結晶が入射ビーム経路に沿って配置される。 Preferably, the at least two beam splitters are part of one single piece, in particular a single crystal, which single piece consists of a plurality of scattering surfaces at different angles to each other. Specifically, this single piece is bent, grooved, or patterned to have multiple scattering surfaces. The single component includes, for example, a single crystal. This experimental arrangement is also called the single splitter arrangement. The advantage of this arrangement is that the size of the scattering surface can be reduced to the order of 10 μm, so that a very space-saving arrangement can be realized. This arrangement allows for small spacing between the diffractive elements, allowing time delays between beamlets on the order of femtoseconds, enabling very fast 2D imaging at THz sampling rates. Specifically, a plurality of single crystals are arranged along the incident beam path.

単一スプリッタ配置で用いる単結晶は溝付き結晶であり得て、ここで溝は機械的加工、エッチング、レーザ加工、及び/又は別の作製技術によって作製され得る。 The single crystal used in the single splitter arrangement can be a grooved crystal, where grooves can be made by mechanical machining, etching, laser machining, and/or another fabrication technique.

単一スプリッタ配置で用いる単結晶は、結晶性物質及びアモルファス物質のパターンを含むパターン化された結晶であり得て、ここで、結晶の一部のアモルファス化は、化学的方法、熱的方法、機械的方法、レーザ照射、イオン注入、及び/又はリソグラフィによって達成され得る。 A single crystal for use in a single splitter arrangement can be a patterned crystal comprising a pattern of crystalline and amorphous material, wherein the amorphization of a portion of the crystal is accomplished by chemical methods, thermal methods, It can be achieved by mechanical methods, laser irradiation, ion implantation, and/or lithography.

単一スプリッタ配置で用いる単結晶は、異なる格子面間隔や、異なる化学組成であり得るものであって、化学ドーピングを有する結晶性物質のパターンを含むパターン化された結晶であり得る。具体的には、結晶性物質は、基板物質との化学反応を伴う若しくは伴わない気相堆積技術、及び別の堆積技術で堆積され得るものであり、具体的にはスパッタ堆積法若しくはレーザ堆積法によって作製される。別の方法として、結晶性物質内に応力を発生させて、単結晶内において、いくつかの層の格子面間隔とその位置を変える技術を用いても作製される。 The single crystals used in the single splitter arrangement can be of different lattice spacings, different chemical compositions, and can be patterned crystals containing patterns of crystalline material with chemical doping. Specifically, the crystalline material can be deposited by vapor deposition techniques, with or without chemical reaction with the substrate material, and other deposition techniques, particularly sputter deposition or laser deposition. made by Alternatively, it can be made using a technique that induces stress in the crystalline material to alter the interplanar spacing of several layers and their position within the single crystal.

単一スプリッタ配置で用いる単結晶はパターン化された結晶であり得て、ここでパターンは、標準的なリソグラフィ技術を用いて、又は放射線によって誘起された若しくは放射線を補助的に用いることで生じる物質のエロージョン/アブレーションによって導入できる。パターンは、結晶表面の一部又は複数の部分が放射線のマスクとして働くことによって形成され得る。 A single crystal for use in a single splitter arrangement may be a patterned crystal, where the pattern is produced using standard lithographic techniques or by radiation-induced or radiation-assisted material. can be introduced by erosion/ablation of A pattern may be formed by a portion or portions of the crystal surface acting as a mask for the radiation.

具体的には、多重ビーム分割及びリダイレクト装置は、再結合された結晶を含み、それは、その結晶によって生成されたビームレットを測定点に集束させるように構成及び配置される。これにより、大きな試料の撮影が可能になる。 Specifically, the multiple beam splitting and redirecting apparatus includes a recombined crystal, which is constructed and arranged to focus the beamlets produced by the crystal onto a measurement point. This allows imaging of large samples.

好ましくは、多重ビーム分割及びリダイレクト装置は、少なくとも1つの一次ビームスプリッタ、及び少なくとも2つのビームスプリッタグループを含み、上記ビームスプリッタグループは上記ビームスプリッタを含み、一次ビームスプリッタは、入射ビーム経路上に配置され、一次ビームを散乱させることによって二次ビームを生成し、一次ビームを減衰させるように構成され、減衰された一次ビームは入射ビーム経路に沿って下流に伝播し、二次ビームは二次ビーム経路に沿って下流に伝播し、ビームスプリッタグループのうちの1つは、一次ビームスプリッタの下流の入射ビーム経路上に配置されており、他のビームスプリッタグループのうちの別のものは、二次ビーム経路上に配置されている。 Preferably, the multiple beam splitting and redirecting device comprises at least one primary beam splitter and at least two beam splitter groups, said beam splitter group comprising said beam splitter, the primary beam splitters being arranged on the incident beam path. is configured to scatter the primary beam to produce a secondary beam and to attenuate the primary beam, the attenuated primary beam propagating downstream along the incident beam path and the secondary beam being the secondary beam Propagating downstream along the path, one of the beam splitter groups is positioned on the incident beam path downstream of the primary beam splitter and another of the other beam splitter groups is positioned on the secondary beam path. placed on the beam path.

言い換えると、一次ビームは複数のブランチに分割され、複数のビームスプリッタグループに向けられる。有利なことに、断層撮影のための角度範囲は、異なるビームスプリッタグループからのビームレットが異なる側から測定点に向かうため、更に拡大される。角度範囲を更に増大するために、一次ビームは複数回分割され得る。一次ビームは、一次ビームスプリッタによって分割される。一次ビームスプリッタは、具体的には、振幅スプリッタ若しくは波面スプリッタとして使用される結晶、又は波面スプリッタとして使用されるミラーである。特に、一次ビームスプリッタは、一次ビームを分割し、その結果、第1のビームスプリッタグループによって生成されたビームレットを含む面は、第2のビームスプリッタグループによって生成されたビームレットを含む面とは非平行の平面になり得る。これにより、異なる視点から3D撮影が可能になる。 In other words, the primary beam is split into multiple branches and directed to multiple beam splitter groups. Advantageously, the angular range for tomography is further expanded since the beamlets from different beam splitter groups are directed from different sides to the measuring point. To further increase the angular range, the primary beam can be split multiple times. The primary beam is split by the primary beam splitter. A primary beam splitter is in particular a crystal used as an amplitude splitter or wavefront splitter or a mirror used as a wavefront splitter. In particular, the primary beamsplitter splits the primary beam so that the plane containing the beamlets produced by the first group of beamsplitters is different from the plane containing the beamlets produced by the second group of beamsplitters. Can be non-parallel planes. This enables 3D imaging from different viewpoints.

好ましくは、多重ビーム分割及びリダイレクト装置は、パルス一次ビームの単一パルスから生成されたすべてのビームレットのうち最初のビームレットと最後のビームレットが測定点に到達する時間差がマイクロ秒未満、例えば、ナノ秒未満、1ピコ秒から1ナノ秒のオーダーであるように構成される。 Preferably, the multiple beam splitting and redirecting device is such that the time difference between the arrival of the first and last beamlets of all beamlets generated from a single pulse of the pulsed primary beam at the measuring point is less than microseconds, e.g. , sub-nanoseconds, on the order of 1 picosecond to 1 nanosecond.

単一パルスから生成されたビームレット間の時間差を、ナノ秒又はピコ秒オーダーに保つことによって、非常に高速な動的プロセスの3次元断層画像を取得することが可能である。 By keeping the time difference between beamlets generated from a single pulse on the order of nanoseconds or picoseconds, it is possible to acquire 3D tomographic images of very fast dynamic processes.

具体的には、多重ビーム分割及びリダイレクト装置は、異なる物質でできた少なくとも2つのビームスプリッタを含み、ここで異なる物質の格子面間隔の差は、例えば、65%未満、20%未満、5%未満である。 Specifically, the multiple beam splitting and redirecting device includes at least two beam splitters made of different materials, wherein the lattice spacing difference of the different materials is less than 65%, less than 20%, less than 5%, for example. is less than

非常に類似した格子定数を備える2つ以上のビームスプリッタを用いることにより、ピコ秒又はフェムト秒オーダーの非常に短い時間差を有する2つ以上のビームレットが生成され、干渉法に利用され得る。更に高速な干渉法は、この光学系の小型化により実現され得る。実際に、ビームレット間の時間差は光学系の大きさに比例する。このような小型化された光学系は、異なる2つの元素の濃度勾配を有する結晶、例えばSiGe1-xに溝を掘って曲げることによって実現され得て、その結果、溝に挟まれた結晶の表面は格子定数の勾配を有し、各表面はわずかに異なる物質として機能するがほぼ同じ格子定数を有し、同じエネルギーのビームレットを回折するが、時間の間隔はそれらの間の距離に比例する。このタイプの光学系は非常に小型化され得るため、結晶表面の大きさは、それらの間隔が10μmオーダーになるまで小さくできる可能性があり、したがって、ビームレット間の時間距離はフェムト秒オーダーになり得る。これらのビームレットは同じエネルギーを有するため、それらは干渉してフェムト秒オーダーの干渉法が可能になる。 By using two or more beamsplitters with very similar lattice constants, two or more beamlets with very short time differences on the order of picoseconds or femtoseconds can be generated and used for interferometry. Higher speed interferometry can be realized by miniaturization of this optical system. In practice, the time difference between beamlets is proportional to the size of the optical system. Such miniaturized optics can be realized by grooving and bending a crystal with a concentration gradient of two different elements, such as Si x Ge 1-x , so that The surfaces of the crystal have gradients of lattice constants, each surface acting as a slightly different material but having approximately the same lattice constant and diffracting beamlets of the same energy, but the time interval being the distance between them. proportional to This type of optics can be made very compact, so that the size of the crystal surfaces can be reduced to the order of 10 μm spacing between them, thus the temporal distance between beamlets can be reduced to the order of femtoseconds. can be. Since these beamlets have the same energy, they interfere allowing femtosecond-order interferometry.

具体的な実験配置としては、表面が平坦な結晶、及び/又は正規化マスクが、一次ビーム経路上の多重ビーム分割及びリダイレクト装置の前方に配置され、ここで前者は、透過配置において一次ビームを回折するように構成及び配置される。表面が平坦な結晶の利点は、ボルマン三角形と呼ばれる現象に起因するビームの不均一性を平滑化できることである。一実施形態では、表面が平坦な結晶は、ダイヤモンド又はより軽い物質で作られている。別の実施形態によると、表面が平坦な結晶はダイヤモンドより重い物質から作られている。正規化マスクは、一次ビームの空間構造を除去するように構成される。別の方法として、一次ビームの空間構造は画像解析アルゴリズムによっても除去される。 In a specific experimental arrangement, a flat-surfaced crystal and/or a normalizing mask were placed in front of a multiple beam splitting and redirecting device on the primary beam path, where the former diverts the primary beam in a transmissive arrangement. Constructed and arranged to diffract. An advantage of flat-surfaced crystals is that they can smooth out beam non-uniformities caused by a phenomenon called the Bormann triangle. In one embodiment, the flat-surfaced crystals are made of diamond or lighter materials. According to another embodiment, the flat-surfaced crystal is made of a material heavier than diamond. The normalization mask is configured to remove the spatial structure of the primary beam. Alternatively, the spatial structure of the primary beam is also removed by image analysis algorithms.

本発明の目的は、断層撮影装置によって更に達成される。断層撮影装置は、光源、少なくとも1つの画像検出器、及び前述の実施形態のいずれかによる多重ビーム分割及びリダイレクト装置を含み、ここで光源は一次ビームを発生するように構成され、ここで少なくとも1つの画像検出器は、測定点を通過した後にビームレットの強度を測定するように配置及び構成され、ここで断層撮影装置は、測定点において試料の3次元画像データセットを、画像検出器で測定された各ビームレットの強度と、各ビームレットが一次ビームとなす角度と、から取得するように構成される。 The objects of the invention are further achieved by a tomography apparatus. The tomography apparatus includes a light source, at least one image detector, and a multiple beam splitting and redirecting apparatus according to any of the preceding embodiments, wherein the light source is configured to generate primary beams, wherein at least one The two image detectors are arranged and configured to measure the intensity of the beamlets after passing the measurement point, wherein the tomography apparatus measures a three-dimensional image data set of the sample at the measurement point with the image detector. and the angle each beamlet makes with the primary beam.

断層撮影装置は、多重ビーム分割及びリダイレクト装置と同じ又は類似の機能、利点、及び特性を具体化し、したがって、これは繰り返すべきでない。 The tomography device embodies the same or similar functions, advantages and characteristics as the multiple beam splitting and redirecting device, so this should not be repeated.

これに加えて、断層撮影装置は、当技術分野で周知の断層撮影法を使用して、3次元画像データセットから3次元断層画像を生成する。 In addition, the tomography apparatus generates a three-dimensional tomographic image from the three-dimensional image data set using tomographic techniques well known in the art.

光源は、X線源、ガンマ線源、及び/又は中性子源であり得る。具体的には、光源は、実験室光源、シンクロトロン光源、XFEL光源、及び別の任意のタイプの適切な光源の少なくとも一つである。 The light source can be an X-ray source, a gamma ray source, and/or a neutron source. Specifically, the light source is at least one of a laboratory light source, a synchrotron light source, an XFEL light source, and any other type of suitable light source.

画像検出器は、具体的には、間接撮像型のX線、ガンマ、中性子、及び/又はUV画像検出器であり、具体的には、シンチレータ及び可視光検出器、例えば電荷結合デバイス(CCD)、又は相補型金属酸化膜半導体(CMOS)、又は科学計測用CMOS(sCMOS)を含む。別の実施形態によると、画像検出器は、直接撮像型フォトンカウンティング又は積分型検出器である。例えば、画像検出器は、少なくとも1つのカメラ、及び/又は大面積画像検出器を含む。 The image detectors are in particular indirect X-ray, gamma, neutron and/or UV image detectors, in particular scintillators and visible light detectors such as charge-coupled devices (CCD). , or complementary metal oxide semiconductor (CMOS), or scientific instrumentation CMOS (sCMOS). According to another embodiment, the image detector is a direct imaging photon counting or integrating detector. For example, the image detector includes at least one camera and/or a large area image detector.

一実施形態では、単一の画像検出器は、測定点を通過するすべてのビームレットを検出するように配置される。単一の検出器は、例えば湾曲した検出器である。別の実施形態によると、ビームレットは複数の画像検出器によって検出される。例えば、すべてのビームレットは異なる画像検出器によって検出される。例えば、検出器の少なくとも1つはカメラであり、ここで少なくとも1つのカメラの位置、及びカメラの数は、所望の視野角及び取得時間に基づいて選択される。 In one embodiment, a single image detector is positioned to detect all beamlets passing through the measurement point. A single detector is for example a curved detector. According to another embodiment, the beamlets are detected by multiple image detectors. For example, all beamlets are detected by different image detectors. For example, at least one of the detectors is a camera, where the position of the at least one camera and the number of cameras are selected based on the desired viewing angle and acquisition time.

好ましくは、断層撮影装置は、入射ビーム経路上の多重ビーム分割及びリダイレクト装置の下流に配置された結晶分光器を含み、ここで結晶分光器は、例えば湾曲結晶であり、それは一次ビームのエネルギースペクトル全体を実質的に回折し、回折分光器ビームを生成するように構成され、ここで、回折分光器ビームを撮影するように構成された分光器画像検出器は、回折分光器ビームのビーム経路上に配置され、ここで、分光器画像検出器は、具体的には2次元検出器である。 Preferably, the tomography apparatus comprises a crystal spectrograph arranged downstream of the multiple beam splitting and redirecting device on the incident beam path, wherein the crystal spectrograph is for example a curved crystal, which has the energy spectrum of the primary beam substantially entirely diffracted to produce a diffracted spectrograph beam, wherein a spectroscopic image detector configured to image the diffracted spectrograph beam is positioned on the beam path of the diffracted spectrograph beam , where the spectroscopic image detector is specifically a two-dimensional detector.

結晶分光器は、一次ビームに対して多数のブラッグ角を与える曲げやすい湾曲結晶からなる。結晶分光器と分光器画像検出器を用いると、ビームレットで使用されるエネルギー幅を調べられるため、ビームスプリッタの位置合わせに役立てることができる。 A crystal spectrograph consists of a bendable curved crystal that provides multiple Bragg angles to the primary beam. A crystal spectrograph and a spectroscopic image detector can be used to examine the energy spread used by the beamlets and thus aid in the alignment of the beamsplitter.

好ましくは、断層撮影装置は、少なくとも1つの集光素子を含み、それは測定点の上流、及び下流の少なくとも一方において、ビームレットの少なくとも1つの経路上に配置される。 Preferably, the tomography apparatus comprises at least one light collection element, which is arranged on at least one path of the beamlets upstream and/or downstream of the measuring point.

具体的には、集光素子は、X線集光素子、ガンマ線集光素子、及び中性子集光素子の少なくとも一つである。X線集光素子は、例えば、フォーカス又はデフォーカスX線レンズである。集光素子の利点は、ビームレットを拡大又は縮小できることである。例えば、直接撮像型画像検出器を使用する場合には、可視光用のレンズを拡大に使用できないが、X線集光素子を用いれば拡大撮影ができる。 Specifically, the light-collecting element is at least one of an X-ray light-collecting element, a gamma-ray light-collecting element, and a neutron light-collecting element. The X-ray concentrating element is for example a focused or defocused X-ray lens. An advantage of the focusing element is that the beamlet can be expanded or contracted. For example, when a direct imaging image detector is used, a lens for visible light cannot be used for magnification, but an X-ray condensing element can be used for magnification imaging.

別の断層撮影装置の具体例では、少なくとも2つの光源を含み、それぞれが一次ビームを生成し、それぞれの一次ビームは、それぞれ、異なる多重ビーム分割及びリダイレクト装置に入射される。この装置の有利な点は、180°を超える広い角度範囲で投影像の取得が可能になり、異なる平面内で投影像を取得できる点である。 Another tomography apparatus embodiment includes at least two light sources, each producing a primary beam, each primary beam being incident on a different multiple beam splitting and redirecting device. The advantage of this device is that it allows the acquisition of projection images over a wide angular range of more than 180° and allows the acquisition of projection images in different planes.

本発明の目的は、試料の3次元断層画像を取得する方法によって更に達成される。ここで試料は測定点に配置され、一次ビームは入射ビーム経路に沿って伝播し、少なくとも2つのビームスプリッタが互いにある距離をおいて入射ビーム経路上に配置され、それぞれが一次ビームを散乱させることによってビームレットを生成するとともに一次ビームを減衰させ、すべてのビームレットは入射ビームから離れた位置にある測定点の方向に伝播し、これは入射ビーム、測定点を通過した後のビームレットの強度は、少なくとも1つの画像検出器を用いて測定され、測定点における試料の3次元画像データセットは、少なくとも1つの画像検出器で測定された各ビームレットの強度と、各ビームレットが一次ビームとなす角度から取得するように構成される。 The object of the invention is further achieved by a method of acquiring a three-dimensional tomographic image of a sample. Here the sample is placed at the measurement point, the primary beam propagates along the incident beam path, and at least two beam splitters are placed on the incident beam path at a distance from each other, each scattering the primary beam. generates beamlets and attenuates the primary beam, all beamlets propagate in the direction of the measurement point away from the incident beam, which is the intensity of the beamlet after passing the incident beam, the measurement point is measured using at least one image detector, and the three-dimensional image data set of the sample at the measurement point is composed of the intensity of each beamlet measured with the at least one image detector and the intensity of each beamlet measured with the primary beam. configured to obtain from an angle to make.

また、この方法は、断層撮影装置及び本発明の多重ビーム分割及びリダイレクト装置と同じ類似の特徴、利点、及び特性を具体化する。 This method also embodies the same similar features, advantages and properties as the tomography apparatus and the multiple beam splitting and redirecting apparatus of the present invention.

試料の360°全周をカバーするために、試料は、第1の画像の取得後、次の第2の画像の取得前に回転され得る。 In order to cover the entire 360° circumference of the sample, the sample may be rotated after acquiring the first image and before acquiring the following second image.

この方法の一実施形態によると、2つのビームスプリッタは結晶であり、一次ビームを結晶の格子面で散乱させることによってビームレットを生成する。例えば、ここでの、ビームスプリッタは振幅スプリッタである。 According to one embodiment of this method, the two beamsplitters are crystals and generate beamlets by scattering the primary beams at lattice planes of the crystals. For example, the beam splitter here is an amplitude splitter.

好ましくは、少なくとも2つのビームスプリッタのうちの少なくとも1つは、一次ビームを反射配置において散乱させる構成と、少なくとも2つのビームスプリッタのうちの少なくとも1つは、一次ビームを透過配置において散乱させる構成と、の少なくとも一つを有する。 Preferably, at least one of the at least two beam splitters is arranged to scatter the primary beam in the reflective configuration and at least one of the at least two beam splitters is arranged to scatter the primary beam in the transmissive configuration. , at least one of

各ビームスプリッタは、好ましくは、一次ビームのエネルギースペクトルの異なる一部を、具体的に特定の結晶物質を選択する構成、及び結晶の向きを調整する構成の少なくとも一方によって散乱させ、一次ビームを特定の格子面により回折させる。 Each beamsplitter preferably scatters a different portion of the energy spectrum of the primary beam by means of a configuration that specifically selects a particular crystal material and/or a configuration that adjusts the orientation of the crystal to identify the primary beam. is diffracted by the lattice planes of

好ましくは、一次ビームは、例えばパルス化されたX線ビーム、ガンマ線ビーム、又は中性子ビームである。 Preferably, the primary beam is for example a pulsed X-ray beam, a gamma-ray beam or a neutron beam.

少なくとも2つのビームスプリッタは、好ましくは、ビームレット方向に沿ってビームレットを生成し、ここで各ビームレットのビームレット方向は、一次ビームの方向とは異なるビームレット角度をなす。 The at least two beam splitters preferably generate beamlets along beamlet directions, where the beamlet direction of each beamlet forms a different beamlet angle with the direction of the primary beam.

好ましくは、少なくとも2つのビームスプリッタは、第1のビームスプリッタ及び第2のビームスプリッタを含み、ここで第1のビームスプリッタによって生成される第1のビームレットは、第2のビームスプリッタによって生成される第2のビームレットとある角度をなし、ここで角度は0.1°~179.9°の間であり、具体的には、角0.1°~90°、0.1°~60°の間であってもよい。 Preferably, the at least two beam splitters comprise a first beam splitter and a second beam splitter, wherein a first beamlet produced by the first beam splitter is produced by the second beam splitter. with the second beamlet, where the angle is between 0.1° and 179.9°, specifically between 0.1° and 90°, between 0.1° and 60° ° may be between.

ビームスプリッタの少なくとも1つは、好ましくは、湾曲結晶及び/又はモザイク結晶である構成と、3~92の元素からなる結晶、もしくは、原子番号3~92の元素を含む結晶である。より好ましくは、原子番号が3、6、9、32、及び49の元素から選択された少なくとも二つの元素からなる構成であり、より好ましくは、原子番号が3,6,9,32,49の元素から選択される少なくとも二つの元素を含む結晶である。 At least one of the beam splitters is preferably a curved crystal and/or mosaic crystal configuration and a crystal of 3-92 elements or a crystal containing elements of atomic number 3-92. More preferably, the composition consists of at least two elements selected from elements with atomic numbers of 3, 6, 9, 32, and 49, and more preferably with atomic numbers of 3, 6, 9, 32, and 49. A crystal containing at least two elements selected from the elements.

一実施形態によると、少なくとも2つのビームスプリッタは、単結晶の一部であり、ここで単結晶は、複数の散乱表面を含むように溝を掘って曲げられ、複数の散乱表面は互いにある角度をなす。 According to one embodiment, the at least two beam splitters are part of a single crystal, wherein the single crystal is grooved and bent to include a plurality of scattering surfaces, the plurality of scattering surfaces at an angle to each other form.

好ましくは、少なくとも1つの一次ビームスプリッタは、入射ビーム経路上に配置され、一次ビームを散乱させることによって二次ビームを生成し、一次ビームを減衰させ、ここで減衰された一次ビームは入射ビーム経路に沿って下流に伝播し、二次ビームは二次ビーム経路に沿って下流に伝播し、ここで少なくとも2つのビームスプリッタを含む少なくとも2つのビームスプリッタグループのうちの1つは、入射ビーム経路上の一次ビームスプリッタの下流に配置され、少なくとも2つのビームスプリッタグループのうちの別のものは、二次ビーム経路上に配置される。 Preferably, at least one primary beam splitter is arranged in the incident beam path to scatter the primary beam to produce a secondary beam and to attenuate the primary beam, wherein the attenuated primary beam is in the incident beam path and the secondary beam propagates downstream along the secondary beam path, wherein one of the at least two beam splitter groups comprising at least two beam splitters is on the incident beam path and the other of the at least two beam splitter groups is arranged on the secondary beam path.

好ましくは、パルス一次ビームの単一パルスから生成されたすべてのビームレットのうち最初のビームレットと最後のビームレットが測定点に到達する時間差は、マイクロ秒未満、例えばナノ秒未満である。 Preferably, the time difference between the arrival of the first and the last beamlet of all beamlets generated from a single pulse of the pulsed primary beam at the measuring point is less than microseconds, for example less than nanoseconds.

一実施形態によると、結晶分光器は、入射ビーム経路上の多重ビーム分割及びリダイレクト装置の下流に配置され、ここで結晶分光器は、一次ビームのエネルギースペクトル全体を実質的に回折し、かつ回折分光器ビームを生成するように構成された湾曲結晶を含み、ここで分光器画像検出器は、回折分光器ビームのビーム経路上に配置され、回折分光器ビームを撮影する。ここで分光器画像検出器は、例えば2次元検出器である。 According to one embodiment, the crystal spectrograph is arranged downstream of the multiple beam splitting and redirecting device on the incident beam path, wherein the crystal spectrograph substantially diffracts the entire energy spectrum of the primary beam and A curved crystal configured to generate a spectroscopic beam, wherein a spectroscopic image detector is positioned in the beam path of the diffracted spectroscopic beam to image the diffracted spectroscopic beam. Here, the spectroscopic image detector is, for example, a two-dimensional detector.

好ましくは、少なくとも1つの集光素子は、ビームレットのうちの少なくとも1つの経路上の、測定点の上流、及び/又は下流に配置される。 Preferably, at least one focusing element is arranged upstream and/or downstream of the measuring point on the path of at least one of the beamlets.

例えば、各ビームレットは異なるエネルギーを有するため、試料を回転すると、エネルギー分解断層撮影が実現され得る。すなわち、試料の回転ごとに異なるX線エネルギーに対応する複数の3D画像を取得することが可能である。また、エネルギー分解断層撮影は、一次ビームスプリッタと又は複数の光源と組み合わせても実現できる。すなわち、同じ試料を撮影する多重ビーム分割及びリダイレクト装置を生成し、同じエネルギーのビームレットを用いて異なる方向から試料を透過させ、これによって、試料を回転することなく、異なるX線エネルギーに対応する複数の3D画像を取得できる。 For example, since each beamlet has a different energy, rotating the sample can achieve energy-resolved tomography. That is, it is possible to acquire multiple 3D images corresponding to different X-ray energies for each rotation of the sample. Energy-resolved tomography can also be achieved with a primary beam splitter or in combination with multiple light sources. That is, creating multiple beam splitting and redirecting devices that image the same sample and transmit the sample from different directions with beamlets of the same energy, thereby accommodating different x-ray energies without rotating the sample. Multiple 3D images can be acquired.

本発明の更なる特徴は、特許請求の範囲及び図面とともに、本発明による実施形態の説明から明らかになるであろう。本発明による実施形態は、個々の特性又はいくつかの特性の組み合わせを満たし得る。 Further features of the invention will become apparent from the description of embodiments according to the invention together with the claims and the drawings. Embodiments according to the invention may fulfill individual characteristics or a combination of several characteristics.

本発明を以下で説明する。ただし、以下の例示的実施形態は、本発明の一般的な教示内容を制限するものではない。以下は、本文中には詳細が説明されていないが、本発明に伴う詳細のすべてに関連する内容を開示する図面について述べている。図面は以下を示している。 The invention is described below. However, the following exemplary embodiments are not intended to limit the general teachings of the invention. The following refers to the drawings that disclose content related to all of the details that are not described in detail in the text but that accompany the present invention. The drawing shows:

多重ビーム分割及びリダイレクト装置を備えた断層撮影装置の反射配置における一実施形態の概略図である。1 is a schematic diagram of an embodiment in a reflection arrangement of a tomography apparatus with multiple beam splitting and redirecting devices; FIG. 多重ビーム分割及びリダイレクト装置を備えた断層撮影装置の透過配置における一実施形態の概略図である。1 is a schematic diagram of an embodiment in a transmission configuration of a tomography apparatus with multiple beam splitting and redirecting devices; FIG. 結晶分光器を備えた断層撮影装置の一実施形態の概略図である。1 is a schematic diagram of an embodiment of a tomography apparatus with a crystal spectrograph; FIG. 一次ビームスプリッタ、及び複数のビームスプリッタグループを備えた断層撮影装置の一実施形態の概略図である。1 is a schematic diagram of an embodiment of a tomography apparatus with a primary beam splitter and multiple beam splitter groups; FIG. 複数の散乱表面を備えた単結晶を有する断層撮影装置の一実施形態の概略図である。1 is a schematic diagram of an embodiment of a tomography apparatus having a single crystal with multiple scattering surfaces; FIG. ビームスプリッタとして機能する複数の単結晶を備えた断層撮影装置の一実施形態の概略図である。1 is a schematic diagram of an embodiment of a tomography apparatus with multiple single crystals acting as beam splitters; FIG. 光学部材と非光学部材を含む、単一部品ビームスプリッタの概略図である。1 is a schematic diagram of a single piece beamsplitter, including optical and non-optical members; FIG. 光学部材と非光学部材を含む、2次元、単一部品ビームスプリッタの概略図である。1 is a schematic diagram of a two-dimensional, single-component beamsplitter, including optical and non-optical components; FIG.

図面では、項目の重複を防ぐために、同じ、又は類似の要素、又はそれぞれ対応する部品に同じ符号を付けている。 In the drawings, the same or similar elements or respective corresponding parts are labeled the same to avoid duplication of items.

図1は、断層撮影装置2の第1の実施形態の概略図を示す。断層撮影装置2は、光源5、多重ビーム分割及びリダイレクト装置4、及び画像検出器6を含む。光源5は、例えば、入射ビーム経路22に沿って一次ビーム20を発生するX線源である。多重ビーム分割及びリダイレクト装置4は、入射ビーム経路22上に配置された複数のビームスプリッタ11、12、13、14を含む。ビームスプリッタ11、12、13、14は結晶であり、それぞれがブラッグ回折により一次ビーム20を散乱させ、したがって回折ビームレット31、32、33、34を生成し、一次ビーム20を減衰させる。各ビームレット31、32、33、34は、ビームレット方向31a、32a、33a、34aに伝播し、測定点40に集束し、測定点40に試料42が配置される。測定点40の下流のビームレット31、32、33、34の経路上に、画像検出器6が配置され、ビームレット31、32、33、34によって生成された強度分布を撮影する。ビームレット31、32、33、34が異なる方向から試料42を透過するため、強度分布を測定することによって試料42の3次元画像データセットが取得できる。3次元画像データセットから、試料42の3次元断層画像が計算され得る。画像検出器6は、間接撮像型画像検出器又は直接撮像型画像検出器であり得る。 FIG. 1 shows a schematic illustration of a first embodiment of a tomography device 2 . The tomography apparatus 2 includes a light source 5 , a multiple beam splitting and redirecting device 4 and an image detector 6 . Light source 5 is, for example, an X-ray source that produces a primary beam 20 along an incident beam path 22 . Multiple beam splitting and redirecting device 4 includes a plurality of beam splitters 11 , 12 , 13 , 14 arranged on incident beam path 22 . The beam splitters 11 , 12 , 13 , 14 are crystals and each scatter the primary beam 20 by Bragg diffraction, thus producing diffracted beamlets 31 , 32 , 33 , 34 and attenuating the primary beam 20 . Each beamlet 31 , 32 , 33 , 34 propagates in a beamlet direction 31 a , 32 a , 33 a , 34 a and is focused at a measurement point 40 at which a sample 42 is located. An image detector 6 is arranged on the path of the beamlets 31 , 32 , 33 , 34 downstream of the measuring point 40 to photograph the intensity distribution produced by the beamlets 31 , 32 , 33 , 34 . Since the beamlets 31, 32, 33, 34 pass through the sample 42 from different directions, a three-dimensional image data set of the sample 42 can be obtained by measuring the intensity distribution. A three-dimensional tomographic image of the sample 42 can be calculated from the three-dimensional image data set. The image detector 6 can be an indirect imaging image detector or a direct imaging image detector.

ビームレット31、32、33、34を測定点40に集束するために、ビームスプリッタ11、12、13、14間の距離18と、ビームレット31、32、33、34が一次ビーム20の方向となすビームレット角度θ、θ、θ、θを適切に調整する必要がある。ブラッグの法則によると、ビームレット角度θ、θ、θ、θは散乱角(ブラッグ角の2倍)に対応し、一次ビーム20の波長と、一次ビーム20を散乱させる格子面の格子面間隔に依存する。したがって、所定の波長を有する一次ビーム20のビームレット角度θ、θ、θ、θを変えるには、格子面間隔も変える必要がある。これは、適切な格子定数を有する物質を選択し、一次ビーム20が所望のミラー指数を有する格子面により散乱されるように結晶の向きを調整することによって行われる。 In order to focus the beamlets 31 , 32 , 33 , 34 to the measuring point 40 , the distance 18 between the beam splitters 11 , 12 , 13 , 14 and the direction of the beamlets 31 , 32 , 33 , 34 to the direction of the primary beam 20 . It is necessary to appropriately adjust the beamlet angles θ 1 , θ 2 , θ 3 , and θ 4 . According to Bragg's law, the beamlet angles θ 1 , θ 2 , θ 3 , θ 4 correspond to the scattering angles (twice the Bragg angle), the wavelength of the primary beam 20 and the lattice plane scattering the primary beam 20 . It depends on the lattice spacing. Therefore, changing the beamlet angles θ 1 , θ 2 , θ 3 , θ 4 of the primary beam 20 with a given wavelength also requires changing the lattice spacing. This is done by choosing a material with an appropriate lattice constant and orienting the crystal so that the primary beam 20 is scattered by lattice planes with the desired Miller indices.

例えば、約0.069nmの波長を有する単色X線一次ビームは3つのビームスプリッタに入射する場合、第1のビームスプリッタはゲルマニウムで作製され、一次ビームが(022)格子面で散乱されるように結晶の向きが調整され、約10°のビームレット角度でビームレットを生成する。第2のビームスプリッタはシリコンで作製され、一次ビームが(004)格子面で散乱されるように結晶の向きが調整され、約14°のビームレット角度でビームレットを生成する。第3のビームスプリッタは炭素で作製され、一次ビームが(333)格子面で散乱されるように結晶の向きが調整され、約30°のビームレット角度でビームレットを生成する。 For example, if a monochromatic X-ray primary beam with a wavelength of about 0.069 nm is incident on three beam splitters, the first beam splitter is made of germanium so that the primary beam is scattered at the (022) lattice planes. The crystal orientation is adjusted to produce beamlets with a beamlet angle of about 10°. The second beam splitter is made of silicon and the crystal is oriented so that the primary beam is scattered at the (004) lattice planes, producing beamlets with a beamlet angle of about 14°. The third beam splitter is made of carbon and the crystal is oriented so that the primary beam is scattered at the (333) lattice planes, producing beamlets with a beamlet angle of about 30°.

広いエネルギースペクトルを有する一次ビーム20、例えばピンクビーム又は白色ビームが使用される場合、ビームスプリッタ11、12、13、14は、このエネルギースペクトルの異なる一部をそれぞれ散乱するように構成され得る。これにより、一次ビームのエネルギースペクトルの大部分を断層撮影に利用することが可能になる。当然ではあるが、ビームスプリッタ11、12、13、14は、適切な物質から作製され、互いに正しい方位及び距離18に配置される必要があり、その結果、エネルギースペクトルの異なる一部から生成されたビームレット31、32、33、34は、依然として測定点40に集束する。 If a primary beam 20 with a broad energy spectrum is used, for example a pink beam or a white beam, the beam splitters 11, 12, 13, 14 can each be arranged to scatter different parts of this energy spectrum. This makes it possible to utilize most of the energy spectrum of the primary beam for tomography. Of course, the beamsplitters 11, 12, 13, 14 must be made of suitable materials and placed at the correct orientation and distance 18 from each other so that they are produced from different parts of the energy spectrum. Beamlets 31 , 32 , 33 , 34 are still focused on measurement point 40 .

多重ビーム分割及びリダイレクト装置4の第1のビームスプリッタ11からのビームレットと最後のビームスプリッタ14からのビームレットのなす角度δは、図1に示される断層撮影装置2の投影角度範囲を定義する。断層撮影のための広い角度範囲を実現するために、角度δは可能な限り大きくなるように選択される必要がある。 The angle δ between the beamlets from the first beam splitter 11 and the last beam splitter 14 of the multiple beam splitting and redirecting device 4 defines the projection angle range of the tomography apparatus 2 shown in FIG. . In order to achieve a wide angular range for tomography, the angle δ should be chosen as large as possible.

図2は、断層撮影装置2の第2の実施形態の概略図を示す。この実施形態では、一次ビーム20は、図2には示されていない大きな光源、例えば、シンクロトロン光源又はXFEL光源によって生成される。加えて、ビームスプリッタ11、12、13、14は、反射配置(ブラッグケース)の代わりに透過配置(ラウエケース)で一次ビーム20を散乱させるように構成される。 FIG. 2 shows a schematic illustration of a second embodiment of the tomography device 2 . In this embodiment the primary beam 20 is produced by a large light source not shown in FIG. 2, for example a synchrotron light source or an XFEL light source. In addition, the beam splitters 11, 12, 13, 14 are arranged to scatter the primary beam 20 in transmission configuration (Laue case) instead of in reflection configuration (Bragg case).

ビームレット31のビーム経路上に、集光素子60が、測定点40の前方に配置され、別の集光素子61が、測定点40の下流に配置されている。集光素子60、61は、例えばX線集光素子であり、X線を拡大及び縮小して、測定点40を通過するときのビームレット31の空間的サイズを変化させる。 On the beam path of beamlet 31 , a collecting element 60 is arranged in front of measuring point 40 and another collecting element 61 is arranged downstream of measuring point 40 . The focusing elements 60 , 61 are for example X-ray focusing elements, which expand and contract the X-rays to change the spatial size of the beamlets 31 as they pass the measurement point 40 .

図3は、断層撮影装置2の第3の実施形態の概略図を示す。この実施形態では、2つのビームスプリッタ11、12のみが、入射ビーム経路22上に配置される。ビームスプリッタ11、12によって生成された各ビームレット31、32に対して、別個の画像検出器6が与えられている。加えて、結晶分光器50は、入射ビーム経路22上のビームスプリッタ11、12の下流に配置されている。結晶分光器50は、例えば曲げやすい湾曲結晶であり、これは、一次ビーム20が散乱する多数の表面を与え、これによって回折分光器ビーム52を生成する。分光器画像検出器54は、例えば2次元検出器であり、回折分光器ビーム52を撮影して、一次ビーム20の全エネルギースペクトルを測定する。したがって、全エネルギースペクトルのうちどの一部がビームスプリッタ11、12によってビームレット31、32として散乱されるかを調べることが可能である。一次ビーム20のうちビームレット31、32として散乱されるエネルギーをモニターすることにより、ビームスプリッタ11、12の位置合わせが可能になる。一次ビームのカメラ56は、入射ビーム経路22上の結晶分光器50の下流に配置され、残りの一次ビーム20の強度分布を測定する。 FIG. 3 shows a schematic illustration of a third embodiment of the tomography device 2 . In this embodiment only two beam splitters 11 , 12 are arranged on the incident beam path 22 . A separate image detector 6 is provided for each beamlet 31,32 generated by the beam splitter 11,12. Additionally, a crystal spectrograph 50 is positioned downstream of the beam splitters 11 , 12 on the incident beam path 22 . Crystal spectrograph 50 is, for example, a bendable curved crystal, which provides a number of surfaces from which primary beam 20 scatters, thereby producing diffracted spectrograph beam 52 . The spectroscopic image detector 54 is, for example, a two-dimensional detector, and photographs the diffraction spectroscopic beam 52 to measure the total energy spectrum of the primary beam 20 . It is thus possible to investigate which part of the total energy spectrum is scattered by the beamsplitters 11,12 as beamlets 31,32. Monitoring the energy scattered as beamlets 31,32 of the primary beam 20 allows alignment of the beamsplitters 11,12. A primary beam camera 56 is positioned downstream of the crystal spectrograph 50 on the incident beam path 22 to measure the intensity distribution of the remaining primary beam 20 .

図4は、断層撮影装置2の第4の実施形態の概略図を示す。この実施形態では、一次ビームスプリッタ70は、第1のビーム20の経路上の、第1のビームスプリッタグループ71のビームスプリッタ11、12、13、14の前方に配置される。一次ビームスプリッタ70は、一次ビーム20の一部を二次ビーム74に分割し、これは、一次ビーム20とある角度をなす。図4に示される例では、この角度は約90°である。しかしながら、一次ビーム20と二次ビーム74のなす角度は、0°~180°の間の任意の角度であり得る。二次ビーム74の二次ビーム経路76上には、ビームスプリッタ15、16を備えた第2のビームスプリッタグループ72が配置されている。ビームスプリッタ11、12、13、14と同様に、ビームスプリッタ15、16は、二次ビーム74を散乱させることによってビームレット35、36を生成し、ビームレット35、36を測定点40に集束させるように構成及び配置される。 FIG. 4 shows a schematic illustration of a fourth embodiment of the tomography device 2 . In this embodiment, the primary beam splitter 70 is placed in front of the beam splitters 11 , 12 , 13 , 14 of the first beam splitter group 71 on the path of the first beam 20 . Primary beam splitter 70 splits a portion of primary beam 20 into secondary beams 74 that make an angle with primary beam 20 . In the example shown in FIG. 4, this angle is approximately 90°. However, the angle between primary beam 20 and secondary beam 74 can be any angle between 0° and 180°. A second beam splitter group 72 with beam splitters 15 , 16 is arranged on the secondary beam path 76 of the secondary beam 74 . Similar to beam splitters 11 , 12 , 13 , 14 , beam splitters 15 , 16 generate beamlets 35 , 36 by scattering secondary beams 74 and focus beamlets 35 , 36 to measurement point 40 . constructed and arranged as follows:

この実施形態による断層撮影装置2を用いると、ビームスプリッタ11、12、13、14、15、16を試料42の異なる側に配置できるため、より広い角度範囲で断層撮影が実現できる。第1のビームスプリッタグループ71のビームスプリッタ11、12、13、14及び第2のビームスプリッタグループ72のビームスプリッタ15、16は、単一の多重ビーム分割及びリダイレクト装置4の一部であってもよく、又は各ビームスプリッタグループ71、72として、異なる多重ビーム分割及びリダイレクト装置4を構成してもよい。 When the tomography apparatus 2 according to this embodiment is used, the beam splitters 11, 12, 13, 14, 15, 16 can be arranged on different sides of the sample 42, so that tomography can be realized in a wider angular range. The beam splitters 11 , 12 , 13 , 14 of the first beam splitter group 71 and the beam splitters 15 , 16 of the second beam splitter group 72 may be part of a single multiple beam splitting and redirecting device 4 . Alternatively, a different multiple beam splitting and redirecting device 4 may be configured for each beam splitter group 71,72.

角度範囲を更に大きくするために、一次ビーム20、及び/又は二次ビーム74は、複数の一次ビームスプリッタ70によって複数回分割され得て、それぞれのビームスプリッタグループ71、72を用いて更に多くのビームブランチを生成し得る。 To further increase the angular range, the primary beam 20 and/or the secondary beam 74 may be split multiple times by multiple primary beam splitters 70 to provide more beams with each beam splitter group 71,72. A beam branch can be generated.

図5は、前述の単一スプリッタ配置の断層撮影装置2の第5の実施形態の概略図を示す。この実施形態では、ビームスプリッタ11、12、13は、単一の部品、この場合は単結晶80として実現される。すなわち、単一の部品は、単結晶を含み、具体的には、単結晶80からなる。以下、この単一の部品を単結晶80として説明する。単結晶80には、複数の散乱表面81、82、83を分けるために溝が掘られており、曲げられることによって、散乱表面81、82、83のうちの2つの面はある角度をなしている。したがって、生成されるビームレット31、32、33は、わずかに異なる位置から、わずかに異なる角度で測定点40に到達する。図5の結晶80は3つの散乱表面81、82、83のみを有しているが、任意の数の散乱表面を結晶80に与えることができる。 FIG. 5 shows a schematic view of a fifth embodiment of the aforementioned single splitter arrangement tomography apparatus 2 . In this embodiment the beam splitters 11 , 12 , 13 are realized as a single piece, in this case a single crystal 80 . That is, a single component includes a single crystal, and specifically consists of a single crystal 80 . Hereinafter, this single component will be described as a single crystal 80 . The single crystal 80 is grooved to separate a plurality of scattering surfaces 81, 82, 83 and is bent so that two of the scattering surfaces 81, 82, 83 form an angle. there is The generated beamlets 31, 32, 33 therefore arrive at the measurement point 40 from slightly different positions and at slightly different angles. Although crystal 80 in FIG. 5 has only three scattering surfaces 81, 82, 83, crystal 80 can be provided with any number of scattering surfaces.

単結晶80の散乱表面の大きさは10μmオーダーまで小さくできるため、単結晶80をビームスプリッタ11、12、13として使用すると、実験配置の小型化が可能になる。加えて、ビームレット31、32、33の光路長差が非常に小さく、ビームレット31、32、33間の時間遅延はフェムト秒オーダーである。これにより、2D撮像用のTHzサンプリングレートが可能になる。 Since the size of the scattering surface of the single crystal 80 can be reduced to the order of 10 μm, the use of the single crystal 80 as the beam splitters 11, 12, 13 allows miniaturization of the experimental setup. In addition, the optical path length difference of beamlets 31, 32, 33 is very small and the time delay between beamlets 31, 32, 33 is on the order of femtoseconds. This enables THz sampling rates for 2D imaging.

図6は、複数の単結晶80をビームスプリッタとして用いた断層撮影装置2の一実施形態の概略図を示す。単結晶80はすべて、入射ビーム経路22上に配置され、すべての単結晶80のすべての散乱表面81、82、83からビームレット31、32、33が生成し、測定点40に伝播する。 FIG. 6 shows a schematic diagram of an embodiment of the tomography apparatus 2 using a plurality of single crystals 80 as beam splitters. All single crystals 80 are placed on the incident beam path 22 and beamlets 31 , 32 , 33 are generated from all scattering surfaces 81 , 82 , 83 of all single crystals 80 and propagate to the measurement point 40 .

図7は、光学部材84及び非光学部材85を含む単結晶80の概略図を示す。光学部材84は、一次ビーム20を測定点40の方向に散乱させ、単結晶80の散乱表面81、82、83として機能するように構成されている。非光学部材85は、光学部材84の領域を互いに分離している。単結晶80は、溝付き結晶又はパターン化結晶であり得る。パターンは、結晶性及びアモルファス物質、異なる格子面間隔、異なる化学組成、若しくは異なるドーピング元素/濃度を有する結晶性物質のパターン、及び/又はリソグラフィ技術、若しくは材料の局所的アブレーションによって得られるパターンであり得る。最後の例は、結晶表面の一部をアブレーションに対してマスクすることで達成され得る。 FIG. 7 shows a schematic diagram of a single crystal 80 including optical members 84 and non-optical members 85 . Optical member 84 is configured to scatter primary beam 20 in the direction of measurement point 40 and to act as scattering surfaces 81 , 82 , 83 of single crystal 80 . Non-optical members 85 separate regions of optical member 84 from each other. Single crystal 80 can be a grooved crystal or a patterned crystal. Patterns are patterns of crystalline and amorphous materials, patterns of crystalline materials with different interplanar spacings, different chemical compositions, or different doping elements/concentrations, and/or patterns obtained by lithographic techniques or localized ablation of materials. obtain. A final example can be achieved by masking a portion of the crystal surface against ablation.

図8は、光学部材84及び非光学部材85を含む2次元の単一部品ビームスプリッタの概略図である。光学部材84は、格子状にパターン化されている。一次ビーム20は、各光学部材によって測定点40に向かって2次元的に散乱される。 FIG. 8 is a schematic diagram of a two-dimensional single-component beamsplitter including an optical member 84 and a non-optical member 85. FIG. The optical member 84 is patterned in a lattice. The primary beam 20 is two-dimensionally scattered toward the measurement point 40 by each optical member.

図面のみから得られるものを含むすべての名前が付けられた特性、及び別の特性と組み合わせて開示されている個々の特性は、単独及び組み合わせで、本発明にとって重要であるとみなされる。本発明による実施形態は、個々の特性、又はいくつかの特性の組み合わせによって実現され得る。「特に」、「具体的に」又は「例えば」という言葉と組み合わされた特徴は、好ましい実施形態として扱われるべきである。 All named features, including those that can only be taken from the drawings, and individual features disclosed in combination with other features, alone and in combination, are considered to be material to the invention. Embodiments according to the invention can be realized by means of individual characteristics or combinations of several characteristics. Features combined with the words "particularly", "specifically" or "for example" should be treated as preferred embodiments.

2 断層撮影装置
4 多重ビーム分割及びリダイレクト装置
5 光源
6 画像検出器
11,12,13,14,15,16 ビームスプリッタ
18 距離
20 一次ビーム
22 入射ビーム経路
31,32,33,34,35,36 ビームレット
31a,32a,33a,34a ビームレット方向
40 測定点
42 試料
50 結晶分光器
52 回折分光器ビーム
54 分光器画像検出器
56 一次ビームカメラ
60 集光素子
61 集光素子
70 一次ビームスプリッタ
71,72 ビームスプリッタグループ
74 二次ビーム
76 二次ビーム経路
80 単結晶
81,82,83 散乱表面
84 光学部材
85 非光学部材
δ 角度
θ,θ,θ,θ ビームレット角度
2 tomograph 4 multiple beam splitting and redirecting device 5 light source 6 image detector 11, 12, 13, 14, 15, 16 beam splitter 18 distance 20 primary beam 22 incident beam path 31, 32, 33, 34, 35, 36 beamlets 31a, 32a, 33a, 34a beamlet direction 40 measurement point 42 sample 50 crystal spectrograph 52 diffraction spectrograph beam 54 spectroscopic image detector 56 primary beam camera 60 condenser element 61 condenser element 70 primary beam splitter 71, 72 beam splitter group 74 secondary beam 76 secondary beam path 80 single crystal 81, 82, 83 scattering surface 84 optical member 85 non-optical member δ angles θ 1 , θ 2 , θ 3 , θ 4 beamlet angles

Claims (15)

断層撮影装置(2)用の多重ビーム分割及びリダイレクト装置(4)であって、
一次ビーム(20)の入射ビーム経路(22)上に配置される、少なくとも2つのビームスプリッタ(11、12、13、14、15、16)を備え、
すべてのビームスプリッタ(11、12、13、14、15、16)は、前記一次ビーム(20)を散乱させることによってビームレット(31、32、33、34、35、36)を生成するとともに、
前記一次ビーム(20)を減衰するように構成され、ここで前記ビームスプリッタ(11、12、13、14、15、16)は互いに距離(18)をおいて配置され、
前記ビームレット(11、12、13、14、15、16)は、前記入射ビーム経路(22)から離れた測定点(40)に向けられている、多重ビーム分割及びリダイレクト装置(4)。
A multiple beam splitting and redirecting device (4) for a tomography device (2), comprising:
comprising at least two beam splitters (11, 12, 13, 14, 15, 16) arranged on the incident beam path (22) of the primary beam (20);
all beam splitters (11, 12, 13, 14, 15, 16) generate beamlets (31, 32, 33, 34, 35, 36) by scattering said primary beam (20), and
configured to attenuate said primary beam (20), wherein said beam splitters (11, 12, 13, 14, 15, 16) are arranged at a distance (18) from each other;
A multiple beam splitting and redirecting device (4), wherein said beamlets (11, 12, 13, 14, 15, 16) are directed to a measuring point (40) remote from said incident beam path (22).
前記ビームスプリッタ(11、12、13、14、15、16)は、結晶であり、
前記一次ビーム(20)を前記結晶の格子面に散乱させることによって前記ビームレット(31、32、33、34、35、36)を生成し、
前記ビームスプリッタ(11、12、13、14、15、16)は振幅スプリッタであることを特徴とする、請求項1に記載の装置(4)。
said beam splitters (11, 12, 13, 14, 15, 16) are crystals,
generating said beamlets (31, 32, 33, 34, 35, 36) by scattering said primary beam (20) onto lattice planes of said crystal;
Device (4) according to claim 1, characterized in that said beam splitters (11, 12, 13, 14, 15, 16) are amplitude splitters.
前記ビームスプリッタ(11、12、13、14、15、16)のうちの少なくとも1つが、前記一次ビーム(20)を反射配置で散乱するように構成されているか、或いは、前記ビームスプリッタ(11、12、13、14、15、16)のうちの少なくとも1つが、前記一次ビーム(20)を透過配置で散乱するように構成されているか、の少なくとも一方の構成を有することを特徴とする、請求項1に記載の装置(4)。 At least one of said beam splitters (11, 12, 13, 14, 15, 16) is configured to scatter said primary beam (20) in a reflecting arrangement; 12, 13, 14, 15, 16) are arranged to scatter said primary beam (20) in a transmission configuration and/or have a configuration of Apparatus (4) according to clause 1. 前記ビームスプリッタ(11、12、13、14、15、16)のそれぞれは、特定の結晶物質を選択する構成と、特定の格子面で前記一次ビーム(20)を回折するように結晶の向きを調整する構成と、の少なくとも一方によって、前記一次ビーム(20)のうち特定のエネルギースペクトル幅を散乱させることを特徴とする、請求項1に記載の装置(4)。 Each of said beamsplitters (11, 12, 13, 14, 15, 16) has a configuration that selects a particular crystal material and orients the crystal to diffract said primary beam (20) at a particular lattice plane. 2. The apparatus (4) of claim 1, characterized in that a tuning arrangement scatters a particular energy spectral width of the primary beam (20) by at least one of: 前記一次ビーム(20)は、パルス化されたX線ビーム、ガンマ線ビーム、中性子ビーム、又は極端紫外線(EUV)ビームであり、
前記極端紫外線(EUV)ビームの波長は120nm未満であることを特徴とする、請求項1に記載の装置(4)。
said primary beam (20) is a pulsed X-ray beam, a gamma ray beam, a neutron beam, or an extreme ultraviolet (EUV) beam;
Device (4) according to claim 1, characterized in that the extreme ultraviolet (EUV) beam has a wavelength of less than 120 nm.
前記ビームスプリッタ(11、12、13、14、15、16)は、ビームレット方向(31a、32a、33a、34a)に沿って前記ビームレット(31、32、33、34、35、36)を生成するように構成され、
前記ビームレット(31、32、33、34、35、36)のそれぞれの前記ビームレット方向(31a、32a、33a、34a)は、前記一次ビーム(20)の方向に対して異なるビームレット角度(θ,θ,θ,θ)をなすことを特徴とする、請求項1に記載の装置(4)。
The beam splitters (11, 12, 13, 14, 15, 16) direct the beamlets (31, 32, 33, 34, 35, 36) along the beamlet directions (31a, 32a, 33a, 34a). configured to generate
The beamlet directions (31a, 32a, 33a, 34a) of each of the beamlets (31, 32, 33, 34, 35, 36) have different beamlet angles ( Device (4) according to claim 1 , characterized in that it forms ?1, ? 2 , ? 3 , ? 4 ).
前記ビームスプリッタ(11、12、13、14、15、16)は、第1のビームスプリッタ(11)及び第2のビームスプリッタ(14)を含み、
前記第1のビームスプリッタ(11)によって生成される第1のビームレット(31)は、前記第2のビームスプリッタ(14)によって生成される第2のビームレット(34)と角度(δ)をなし、
前記角度(δ)は0.1°~179.9°の間であることを特徴とする、請求項1に記載の装置(4)。
The beam splitters (11, 12, 13, 14, 15, 16) comprise a first beam splitter (11) and a second beam splitter (14),
A first beamlet (31) generated by said first beam splitter (11) forms an angle (δ) with a second beamlet (34) generated by said second beam splitter (14). none,
Device (4) according to claim 1, characterized in that said angle (δ) is between 0.1° and 179.9°.
前記ビームスプリッタ(11、12、13、14、15、16)の少なくとも1つは、湾曲結晶及び/又はモザイク結晶を含む構成と、
原子番号が3~92の元素からなる若しくは含む結晶である構成と、の少なくとも一方を有することを特徴とする、請求項1に記載の装置(4)。
at least one of said beam splitters (11, 12, 13, 14, 15, 16) comprises curved and/or mosaic crystals;
A device (4) according to claim 1, characterized in that it has at least one of the composition being a crystal consisting of or containing elements with atomic numbers from 3 to 92.
前記ビームスプリッタ(11、12、13、14、15、16)は、単結晶を含む単一の部品(80)の一部であり、
前記単一の部品は、互いに向きの異なる複数の散乱表面(81、82、83)を含む、請求項1に記載の装置(4)。
said beamsplitters (11, 12, 13, 14, 15, 16) are part of a single piece (80) comprising a single crystal,
2. The device (4) of claim 1, wherein said single component comprises a plurality of scattering surfaces (81, 82, 83) oriented differently from each other.
少なくとも1つの一次ビームスプリッタ(70)と、少なくとも2つのビームスプリッタグループ(71、72)と、を備え、
前記ビームスプリッタグループ(71、72)は、前記ビームスプリッタ(11、12、13、14、15、16)を含み、
前記一次ビームスプリッタ(70)は、前記入射ビーム経路(22)上に配置され、前記一次ビーム(20)を散乱させることによって二次ビーム(74)を生成し、前記一次ビーム(20)を減衰するように構成され、
減衰された前記一次ビーム(20)は、前記入射ビーム経路(22)に沿って下流に伝播し、前記二次ビーム(74)は二次ビーム経路(76)に沿って下流に伝播し、
前記ビームスプリッタグループ(71、72)のうちの1つは、前記入射ビーム経路(22)上の前記一次ビームスプリッタ(70)の下流に配置されており、他の前記ビームスプリッタグループ(71、72)は、前記二次ビーム経路(76)上に配置されている、請求項1に記載の装置(4)。
comprising at least one primary beam splitter (70) and at least two beam splitter groups (71, 72);
the beam splitter group (71, 72) includes the beam splitters (11, 12, 13, 14, 15, 16);
The primary beam splitter (70) is positioned on the incident beam path (22) and scatters the primary beam (20) to produce a secondary beam (74) and attenuates the primary beam (20). is configured to
the attenuated primary beam (20) propagates downstream along the incident beam path (22) and the secondary beam (74) propagates downstream along the secondary beam path (76);
One of said beam splitter groups (71, 72) is arranged downstream of said primary beam splitter (70) on said incident beam path (22) and the other said beam splitter group (71, 72) ) is positioned on the secondary beam path (76).
パルス一次ビーム(20)の単一パルスから生成された前記ビームレット(31、32、33、34、35、36)のうち、前記測定点(40)に到達する最初と最後のビームレットの時間差が、マイクロ秒未満であるように構成される、請求項1に記載の装置(4)。 the time difference between the first and last beamlets (31, 32, 33, 34, 35, 36) generated from a single pulse of the pulsed primary beam (20) reaching said measuring point (40); A device (4) according to claim 1, wherein is arranged to be less than microseconds. 光源(5)と、少なくとも1つの画像検出器(6)と、請求項1~11のうちのいずれかに記載の装置(4)と、を備える断層撮影装置(2)であって、
前記光源(5)は、前記一次ビーム(20)を発生するように構成され、
前記画像検出器(6)は、前記測定点(40)を通過した後に前記ビームレット(31、32、33、34、35、36)の強度を測定するように配置及び構成され、
前記断層撮影装置(2)は、前記測定点(40)において試料(42)の3次元画像データセットを、前記画像検出器(6)で測定された前記ビームレット(31、32、33、34、35、36)の前記強度と、ビームレット角度(θ,θ,θ,θ)と、から取得するように構成され、
前記ビームレット角度(θ,θ,θ,θ)は、それぞれ、前記ビームレット(31、32、33、34、35、36)と、前記一次ビーム(20)と、のなす角である、断層撮影装置(2)。
A tomography apparatus (2) comprising a light source (5), at least one image detector (6) and an apparatus (4) according to any one of claims 1 to 11,
said light source (5) is arranged to generate said primary beam (20),
said image detector (6) is arranged and arranged to measure the intensity of said beamlets (31, 32, 33, 34, 35, 36) after passing said measurement point (40);
The tomography apparatus (2) converts a three-dimensional image data set of the sample (42) at the measurement point (40) into the beamlets (31, 32, 33, 34) measured by the image detector (6). , 35, 36) and the beamlet angles (θ 1 , θ 2 , θ 3 , θ 4 ),
The beamlet angles (θ 1 , θ 2 , θ 3 , θ 4 ) are the angles between the beamlets (31, 32, 33, 34, 35, 36) and the primary beam (20), respectively. A tomography apparatus (2).
前記入射ビーム経路(22)上の前記多重ビーム分割及びリダイレクト装置(4)の下流に配置される結晶分光器(50)を備え、
前記結晶分光器(50)は、前記一次ビーム(20)のすべてのエネルギースペクトルを実質的に回折し、回折分光器ビーム(52)を生成するように構成された湾曲結晶を含み、
前記回折分光器ビーム(52)を撮影するための分光器画像検出器(54)は、前記回折分光器ビーム(52)のビーム経路上に配置され、
前記分光器画像検出器(54)は、2次元検出器である、請求項12に記載の断層撮影装置(2)。
a crystal spectrograph (50) positioned downstream of said multiple beam splitting and redirecting device (4) on said incident beam path (22);
said crystal spectrograph (50) comprising a curved crystal configured to diffract substantially the entire energy spectrum of said primary beam (20) to produce a diffracted spectrograph beam (52);
a spectroscopic image detector (54) for imaging the diffracted spectroscopic beam (52) is arranged on a beam path of the diffracted spectroscopic beam (52);
13. The tomography apparatus (2) of claim 12, wherein the spectroscopic image detector (54) is a two-dimensional detector.
前記ビームレット(31、32、33、34、35、36)の少なくとも1つの経路上の、前記測定点(40)の上流及び下流の少なくとも一方に配置される、少なくとも1つの集光素子(60、61)を備える、請求項12に記載の断層撮影装置(2)。 at least one focusing element (60) arranged upstream and/or downstream of said measuring point (40) on the path of at least one of said beamlets (31, 32, 33, 34, 35, 36) , 61). 試料(42)の3次元断層画像を取得する方法であって、
前記試料(42)は、測定点(40)に配置され、
一次ビーム(20)は、入射ビーム経路(22)に沿って伝播し、
少なくとも2つのビームスプリッタ(11、12、13、14、15、16)は、互いに距離(18)をおいて前記入射ビーム経路(22)上に配置され、それぞれがビームレット(31、32、33、34、35、36)を生成し、前記一次ビーム(20)は散乱させることによって減衰し、
すべての前記ビームレット(31、32、33、34、35、36)は、前記入射ビーム経路(22)から離れた位置にある前記測定点(40)に向けて伝播し、
前記ビームレット(31、32、33、34、35、36)の強度は、前記測定点(40)を通過した後に、少なくとも1つの画像検出器(6)を用いて測定され、
前記測定点(40)における前記試料(42)の3次元画像データセットは、前記少なくとも1つの画像検出器(6)で測定された前記ビームレット(31、32、33、34、35、36)の強度と、ビームレット角度(θ,θ,θ,θ)にと、より取得され、
前記ビームレット角度(θ,θ,θ,θ)は、前記ビームレット(31、32、33、34、35、36)のそれぞれが前記一次ビーム(20)となす角である、方法。
A method for acquiring a three-dimensional tomographic image of a sample (42), comprising:
The sample (42) is placed at a measurement point (40),
the primary beam (20) propagates along an incident beam path (22),
At least two beamsplitters (11, 12, 13, 14, 15, 16) are arranged on said incident beam path (22) at a distance (18) from each other, each for beamlets (31, 32, 33) , 34, 35, 36), said primary beam (20) being attenuated by scattering,
all said beamlets (31, 32, 33, 34, 35, 36) propagate towards said measurement point (40) located away from said incident beam path (22),
the intensity of said beamlets (31, 32, 33, 34, 35, 36) is measured with at least one image detector (6) after passing said measurement point (40);
A three-dimensional image data set of the sample (42) at the measurement point (40) is the beamlet (31, 32, 33, 34, 35, 36) measured with the at least one image detector (6). and the beamlet angles (θ 1 , θ 2 , θ 3 , θ 4 ), obtained by
the beamlet angles (θ 1 , θ 2 , θ 3 , θ 4 ) are the angles each of the beamlets (31, 32, 33, 34, 35, 36) makes with the primary beam (20); Method.
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