JP2023539007A - 実験室ベースの３Ｄ走査Ｘ線ラウエマイクロ回折システム及び方法（ＬＡＢ３ＤμＸＲＤ） - Google Patents

Abstract

集光光学部品と、当該集光光学部品から離れた距離に配置する特性評価される試料と、実験室のＸ線源と、試料を並進及び回転させるステージと、回折Ｘ線のラウエ回折パターンを検出するように構成された検出器と、を含む、結晶性材料を特性評価するための実験室ベースの３Ｄ走査Ｘ線走査ラウエマイクロ回折システム及び方法。試料を異なる回転で集光ビームに対して並進させ、層内の各ボクセルを２回以上の回転で照明し、異なる回転において記録されたラウエ回折パターンを用いて、層内の各ボクセルをインデクシングすることによって、試料の各層を走査することを含む方法。試料の異なる層の並進及び回転を繰り返すことによって、試料の粒子構造の３Ｄ画像が再構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、回折測定を用いた結晶性材料の特性評価の汎用分野に関する。

結晶性材料の特性評価は、産業界及び学界の両方において科学者が結晶性材料の特性及び加工／製造と特性／性能との関係を理解する手助けになる。結晶性材料の特性評価は、回折測定を用いて多結晶材料中の各結晶（粒子とも呼ばれる）の結晶方位の特性評価を行うことによって実行され、ビームが個々の粒子から回折され、回折パターンが記録される。試料を充分に特性評価するために、粒子配向の３Ｄ分布のイメージングが必要である。

３ＤＸ線回折、３ＤＸＲＤの第１の形態は２０年前に発明され、高磁束シンクロトロン放射源から照射された単色硬Ｘ線ビームは、アルミニウムの場合には数センチメートル、鋼の場合には数ミリメートルの深度を貫通して試料を通過する。３ＤＸＲＤ実験では、試料の断面又は体積をそれぞれ照明する層ビーム又はボックスビームを用いて、断層データ取得ルーチンが適用される。高エネルギーＸ線回折顕微鏡法及び回折コントラストトモグラフィ（ＤＣＴ）は、３ＤＸＲＤの支流技法であり、３ＤＸＲＤは、約３００ｎｍまでの空間分解能と、約１μｍの標準解像度で、数μｍよりも大きい粒子を特性評価することができる。現在、３ＤＸＲＤを用いて、変形した材料を特性評価し、局所的な粒内歪み情報を提供することは依然として困難である。

走査３ＤＸＲＤを使用して、一連の並進及び回転ステップの後に試料の体積がマッピングされる集光単色ビームを用いて、空間分解能を増加させ、局所的な歪み情報を特性評価することができる。上記のケースの全てで、単色Ｘ線を使用すると、回折はブラッグ回折になる。

シンクロトロン３Ｄ特性の別の形態は、ラウエマイクロ回折技法であり、多色Ｘ線が、非分散キルクパトリック－バエツ（Ｋｉｒｋｐａｔｒｉｃｋ－Ｂａｅｚ）ミラーによって約０．５μｍのサイズに集光され、試料に向けられる。試料内のビームに沿って、ラウエ回折がどこで発生するかを解決する差動アパーチャとして、Ｐｔワイヤ又はナイフエッジが使用される。３Ｄ体積マッピングは、試料が水平方向及び垂直方向に並進された後に達成される。ラウエマイクロ回折技法の場合には、試料の回転は不要である。

これらの技法の１つの制約は、建造費用が高価で、限られたビーム時間でしか動作できないシンクロトロン設備を必要とすることである。より迅速で安価な材料の特性評価を可能にするために、上記のシステム及び技法を、実験室の放射源からのＸ線で利用できるように適合することが肝要である。これまでのところ、そのようなシステムは１つだけ、すなわち、ＬａｂＤＣＴシステムが開発されている。ＬａｂＤＣＴシステムは、米国特許第８３８５５０３（Ｂ２）号明細書及び米国特許第９３８３３２４（Ｂ２）号明細書に開示されている。

米国特許第８３８５５０３（Ｂ２）号明細書及び米国特許第９３８３３２４（Ｂ２）号明細書又は米国特許出願第２０１５／０３１６４９３（Ａ１）号明細書には、実験室のＸ線源から照射された白色／多色発散光がアパーチャを通って試料に導かれるシステムが開示されている。このシステムでは、試料のアライメントのために試料の並進が実行される。試料に向けられたＸ線ビームは、試料の一定の体積が照明されるように発散する。試料は、ＬａｂＤＣＴデータ取得中にのみ回転し、したがって、ＬａｂＤＣＴは、所望の体積に多色円錐Ｘ線ビームを閉じ込めるアパーチャを用いて動作する。試料を回転させると、同じ粒子の異なる結晶格子面からの複数の回折スポットを、領域検出器上で高い信号対雑音比で記録することができる。スポットは、結晶方位のインデクシングと、３Ｄ試料の体積の再構成とのために使用される。ただし、現在、応力の測定は可能ではない。

ＬａｂＤＣＴは実験室のＸ線源を用いて稼働するが、ラウエ集光効果による固有の制約を有し、結晶／粒子は欠陥がないことが必要である。さらに、ＬａｂＤＣＴは、粒子を５～１０μｍの空間分解能でしか３Ｄマッピングできず、しかも２０～３０μｍより大きい粒子のみにしか対応していない。大半の金属の通常の粒径は、１～２５μｍの範囲内であるため、これでは充分ではない。さらに、ＬａｂＤＣＴは、変形した材料を特性評価することも、個々の粒子内の局所的な格子歪みを決定することもできない。

国際公開第２００９／１２６８６８（Ａ１）号パンフレットは、集光された単色Ｘ線、又は限られた範囲の離散化エネルギーを有するが、米国特許第９３８３３２４（Ｂ２）号明細書に記載されているように、ＤＣＴには低域すぎると考えられる連続した多色スペクトルではないＸ線を使用するＸ線生成システムを開示する。ＤＣＴは、元来、単色シンクロトロンＸ線ビームに基づいて設計されている。

したがって、改良型の実験室ベースの回折システム及び方法は有利であろうし、特に、粒径が数μｍ程度の小さな粒子を特性評価でき、局所的な格子歪みを決定することができることに加えて、試料が変形しても有効であるシステム及び方法が有利であろう。

本出願につながるプロジェクトは、欧州連合のホライズン２０２０研究及び革新プログラムの下で欧州研究評議会（ＥＲＣ）から資金提供を受けている（助成契約番号７８８５６７）。

本発明の別の目的は、従来技術の代替物を提供することである。

特に、本発明の目的は、粒径が数μｍ程度の小さな粒子を特性評価し、局所的な格子歪みを決定し、変形した試料の特性評価を可能にする、従来技術の上記問題を解決する実験室ベースの３Ｄ走査Ｘ線ラウエマイクロ回折システムを提供することであると考えてもよい。

したがって、上記の目的及びいくつかのその他の目的は、結晶性材料を特性評価するための実験室ベースの３Ｄ走査Ｘ線ラウエマイクロ回折システムを提供することによって、本発明の第１の態様で得られることを意図しており、実験室ベースの３Ｄ走査Ｘ線ラウエマイクロ回折システムは、
－集光光学部品と、
－集光光学部品から離れた距離に配置できる、システムの使用中に特性評価される資料と、
－多色Ｘ線ビームを生成できる実験室のＸ線源と、を含んでいてもよく、
－集光光学部品がＸ線源と試料との間のビームの経路内に配置され、試料内の撮像点において３０μｍ未満のスポット径を有する集光ビームを生成することが可能で、集光ビームが、試料内でビームによって照明される内部試料体積から回折して、回折Ｘ線を生成することが可能であり、
－試料を保持するためのステージであって、試料を集光ビームに対して特定の間隔及び角度で回転及び並進させて、試料内の内部試料体積位置を変化させるように構成できるステージと、
－回折Ｘ線のラウエ回折パターンを検出するように構成できる検出器、とを含んでいてもよい。

いくつかの実施形態では、検出器は２Ｄ検出器である。

第２の態様では、本発明はさらに、以下を含み得る、結晶性材料の３Ｄ配向イメージングを生成するための方法に関する。
－実験室のＸ線源によって生成された多色Ｘ線ビームを試料内の３０μｍ未満のスポット径に集光させて集光ビームを生成することと、
－ビームに対して垂直であり得る第１の並進軸を画定することと、
－第１の並進軸及びビームに対して垂直であり得る第２の並進軸を画定することと、
－第２の並進軸に沿って試料の所定のゲージ体積内に１つ又は複数の層を画定することと、
－試料を第１の並進軸に沿って並進させ、結果として生じるラウエ回折パターンを並進ごとに記録することによって、試料の各層を走査することであって、
－試料の各層が、試料の異なる回転において走査でき、これにより、各ボクセルからなるラウエ回折パターンが少なくとも２回の記録において記録されるように、２回以上の回転において、層の各ボクセルを照射することができ、
上記層が、第２の並進軸に沿って試料を次の層に並進させることによって走査され、
－記録されたラウエ回折パターンを用いてラウエ回折パターンをインデクシングし、好ましくは、試料の粒子構造のゲージ体積内の各ボクセルをインデクシングすることによって、３Ｄ画像を再構成すること。

本発明者らは、走査３ＤＸＲＤとラウエマイクロ回折技法とを組み合わせることによって、実験室システムで、小さい粒径及び局所的な格子歪みを特性評価することができることを確認した。本発明は、走査３ＤＸＲＤから、ステージを用いて試料を並進及び回転させることによるデータ取得ルーチンを取得し、ラウエマイクロ回折から、多色Ｘ線源を用いてビームをより小さなスポット径に集光させ、多色ビームのラウエ回折パターンを測定するという概念を取得した。試料の異なる回転における並進によって試料を走査する際に、試料内の個々のボクセルは、複数回の記録において照明し、検出することができ、各ボクセル内の結晶方位が、上記の記録に基づいて決定できる。試料の各層について走査及び回転を繰り返すことによって、試料の３Ｄ画像を再構成することができる。

実験室のＸ線源を用いて上記技法を実験室の設定に適合させるには、Ｘ線源を３０μｍ未満のスポット径に集光させるために、場合によっては集光光学部品を使用する必要がある。

Ｘ線源を３０μｍ未満のスポット径に集光させることによって、１～３０μｍの範囲の粒子を特性評価でき、多色Ｘ線を用いることで、ラウエ回折技法の使用が可能となり、局所的な配向及び格子歪みを測定し、３Ｄ体積を再構成することができる。粒径の下限値及び上限値は、集光光学部品及び測定対象の試料の仕様に依存する可能性がある。

多色Ｘ線ビームを使用する場合、そのような格子歪みは、ラウエ回折パターンを使用して再構成することが可能であるため、試料中の粒子内の局所的な格子歪みを測定することが可能であり得る。ただし、実験室ベースのＸ線源は、異なったアパーチャ（シンクロトロンラウエマイクロ回折のために用いる）を使用するために必要なフラックスを生成しない可能性があるため、試料中の個々の粒子内で局所的に配向及び歪み情報を解決するために、この技法を走査３ＤＸＲＤ技法と組み合わせる必要がある。

ブラッグ回折からラウエ回折への切り替えは複雑であって、本発明がシンクロトロンマイクロ回折を想定していないことは明らかであるため、これらの技法を組み合わせることはまだ想定されていない。

従来のインデクシング方法及び非従来のインデクシング方法を上記の方法において使用して、ラウエ回折パターンをインデクシングしてもよい。後者は、機械学習法又は深層学習を使用してもよい。

したがって、本発明は、新規かつ進歩性がある方法で２つのシンクロトロン法の技法を組み合わせて、実験室ベースの３Ｄ走査ラウエマイクロ回折システム及び方法（Ｌａｂ３ＤμＸＲＤ）を作成している。

米国特許第９３８３３２４（Ｂ２）号明細書では、試料の並進は、データ取得前のアライメントのみを目的とし、データ取得を目的としていない。国際公開第２００９／１２６８６８（Ａ１）号パンフレットの集光システムは、単色Ｘ線のみ、又は限られた範囲の離散化エネルギーを有するが、米国特許第９３８３３２４（Ｂ２）号明細書に記載されているように、ＤＣＴには低域すぎると考えられる連続した多色スペクトルではないＸ線のみを生成する。ＤＣＴは、元来、単色シンクロトロンＸ線ビームに基づいて設計されている。

国際公開第２００９／１２６８６８（Ａ１）号パンフレットに記載された集光システムは、主に、単色ビーム及び通常は軟Ｘ線（エネルギーが１０ｋｅＶ未満）を集光させるためのものである一方で、本発明に係るシステムは、２０～３０μｍ未満の小スポット径を有することが特に困難な、連続的なエネルギースペクトルを有する集光された硬質多色Ｘ線（エネルギーが１０ｋｅＶ未満）を生成する集光光学部品を達成する。

好ましい実施形態では、システムは、放射源と試料との間に配置できるシールドと、試料の後段に配置できるビームストップとを含んでいてもよい。この構成は、試料の後段に、透過ビームを遮断し、それによって、検出器が透過ビームの経路内に配置されている場合に検出器を保護することためのビームストップを有することで有利になり得る。シールドを有することは、集光光学部品を通過していない放射源からの直接のビームを遮断し、それによって回折パターンのコントラストを改善することから、有利になり得る。

好ましい実施形態では、実験室のＸ線源は、５～１５０ｋｅＶの範囲のＸ線エネルギーを有する多色ビームを生成できる。

好ましい実施形態では、集光光学部品は、２０μｍ未満、好ましくは１０μｍ未満、より好ましくは５μｍ未満、又は最も好ましくは１μｍ未満のスポット径にＸ線ビームを集光させることができる。

結晶性材料において測定されるべき最小の粒子と同じ小ささのスポット径を有することは有利になり得る。

好ましい実施形態では、検出器は、光子計数、フラットパネル、シンチレータベースのＣＣＤ又はＣＭＯＳ検出器のタイプであってもよい。

好ましい実施形態では、集光光学部品は、二重放物面Ｘ線ミラー光学部品、楕円面光学部品、ポリキャピラリ光学部品、キルクパトリック－バエツミラーなどであってもよい。

異なる集光光学部品を使用することによって、集光ビームのスポット径の大きさは、試料及び３Ｄ特性評価の仕様及び要求事項に応じて選択することができる。

好ましい実施形態では、２つ以上の検出器を回折Ｘ線の経路内の異なる位置に配置してもよく、複数の検出器は、回折Ｘ線によって画定されるラジアル平面内に非重複領域を有していてもよい。

好ましい実施形態では、検出器は、試料から５～１０ｍｍから１メートルの位置に配置されていてもよく、集光光学部品は、試料から２０～５０ｍｍの位置（光学部品の端部から試料まで測定した）に配置されていてもよい。

好ましい実施形態では、第１の並進軸に沿った並進ステップは、ビーム径及び試料の粒径に基づいて選択できる。並進間隔は、ビームスポット径の範囲、１～３０μｍ以上の範囲内であってもよい。

好ましい実施形態では、並進範囲は、異なる回転で試料の最長辺の一部又は全部をカバーしていてもよい。他の実施形態では、回転及び並進間隔及びステップは、試料内で特性評価されるゲージ体積に基づいて選択できる。好ましい実施形態では、第１の並進軸に沿った並進間隔及び範囲は、試料の異なる回転についても同じであってよい。ただし、他の実施形態では、第１の並進軸に沿った並進間隔及び範囲は、異なる回転については異なる並進範囲及び間隔であってもよい。

そのような状況では、画定されたボクセルは一様に分配されない場合がある。これは、状況において有利であり得、例えば、試料に穴が存在し、その結果、穴が並進でスキップされることがある。他の実施形態では、並進ステップは、ある回転角度で同じであってもよいが、異なる回転角度では異なっていてもよい。例えば、０度の並進ステップは１を単位としてもよく、４５度の並進ステップはｓｑｒｔ（２）／２を単位としてもよい。或いは、並進ステップは、ビームが試料内に向けられていない並進ステップをスキップするように、それぞれの回転において事前に特性評価されてもよい。

好ましい実施形態では、集光ビームスポット径よりも小さいステップサイズで試料を並進させることによって、空間分解能を向上させることができる。

好ましい実施形態では、回転は、１／４回転、半回転、又は全回転まで広げてもよいが、他の回転範囲も考えられる。好ましい実施形態では、回転間隔は、約１～９０度であってもよく、異なる回転についても同じであってよい。そのような実施形態では、試料は、０度、３０度、６０度、９０度、１２０度、１５０度、及び１８０度の間隔で、数回、例えば、７回、回転させて、各層を７回走査することができる。いくつかの実施形態では、回転間隔は、最初は３０度回転させ、次に６０度回転させるなど、回転のたびに変化してもよい。

ただし、並進及び回転は、特性評価される試料に応じて、任意の範囲と間隔との組み合わせであってもよい。これによって、試料内の個別のボクセルを２回以上の記録によって確実に記録することができる。この方法を用いて、選択されたボクセルを別々の測定値で記録するための測定値を選択することができる。

好ましい実施形態では、ラウエ回折パターンが異なる時間間隔で検出され、結晶性材料が任意の外部刺激にさらされる可能性がある場合に時間が第４次元である４Ｄ画像が生成される。

好ましい実施形態では、インデクシングは、パターンマッチング、辞書インデクス、深層学習のタイプである。

ゲージ体積とは、好ましくは、特性評価される試料内の体積を意味する。

内部試料体積とは、好ましくは、測定中にビームによって照明される試料内の体積を意味する。

ボクセルとは、好ましくは、試料内の画定された体積を意味する。ボクセルの形状は、立方体の要素とは異なっていてもよい。ボクセルは、重なっていてもよい。

走査とは、好ましくは、ビームに対して試料を並進させ、走査方向に沿って新しい測定を行うことを意味する。

範囲とは、好ましくは、第１の並進／回転と最後の並進／回転との間の距離／回転角度を意味する。ステップとは、好ましくは、距離／回転の変化を意味する。

層とは、好ましくは、試料の仮想的にスライスされたセグメントを意味する。

スポット径とは、好ましくは、ビームにおける最小サイズの断面径を意味する。

実験室のＸ線源とは、好ましくは、実験室設定で使用される機械及び放射源を意味し、シンクロトロンビームではないものとして負に定義される。

インデクシングとは、好ましくは、回折画像における回折スポットを識別し、粒子（又はボクセル）のどの格子面からそれらの回折スポットが回折されるかを決定し、それによって、粒子（又はボクセル）の結晶方位を決定することを意味する。

記録とは、好ましくは、１回の測定のための、検出器からの回折パターンの検出及び保存を意味する。

測定とは、好ましくは、回折パターンが記録される、ある時間における試料へのビームの露光を意味する。

以下、本発明に係る回折システム及び方法について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。図面は、本発明を実施する１つの方法を示し、添付の１組の請求項の範囲内に収まる他の可能な実施形態を限定するものと解釈されるべきではない。

図１Ａは、本発明のセットアップの一実施形態を示す図である。図１Ｂは、集光ビームによって照明される内部試料体積の一実施形態を示す図である。図１Ｃは、本発明に係る方法の一実施形態を示す図である。 図２は、検出器が入射ビームに対して９０度の位置に配置されている、本発明の一実施形態を示す図である。 図３は、３つの検出器を用いて回折パターンが検出される一実施形態を示す図である。 図４は、本発明に係る方法の一実施形態のフローチャートである。 図５は、ボクセルの一実施形態を示す図である。

図１Ａは、結晶性材料の特性評価のための実験室ベースの３Ｄ走査Ｘ線ラウエマイクロ回折システム１の一実施形態を示す図である。このシステムは、集光光学部品４から離れた距離に配置する特性評価される試料７と、集光光学部品４に向けられた多色Ｘ線ビーム３を生成するための実験室のＸ線源２とを含み、集光光学部品４は、Ｘ線源２と試料７との間のビーム３の経路内に配置され、試料内に位置する撮像点において３０μｍ未満のスポット径を有する集光ビームを生成する。試料７は、好ましくは結晶性材料である。

集光ビーム５は、試料７内の内部試料体積１２を照明し、照明された内部試料体積１２全体から回折Ｘ線８を生成する。内部試料体積１２は、図１Ｂに示されている。図１Ｂでは、集光ビーム５の形状は、いくつかの実施形態では試料７の厚さと同じか又はそれより大きい焦点距離のために試料７内で円筒形となるが、照明された内部試料体積１２の形状は、試料７を照明する集光ビーム５と、試料内の焦点の相対位置及び焦点距離の大きさに依存する。いくつかの実施形態では、試料の厚さは、焦点距離よりも大きくてもよく、ビームは試料内で発散又は収束し、その結果、内部試料体積１２は円筒形状にならない。

回折Ｘ線８は、内部試料体積１２のラウエ回折パターン１３を検出するために回折Ｘ線８の経路内に配置された検出器９によって検出され、記録される。この検出器は、一実施形態では、透過又は反射幾何学構造で配置されてよい。

検出器９は、一実施形態では、光子計数、フラットパネル、シンチレータベースのＣＤＤ又はＣＭＯＳ検出器などのタイプであってもよい。

システムは、集光ビーム５に対して試料７を支持し、回転させ、並進させるように構成されたステージ６をさらに含む。ステージ６による試料７の並進は、一実施形態では、互いに対して垂直な２つの方向で行われる。ステージ６は、いくつかの実施形態では、試料を保持するホルダー、及びホルダーを並進及び回転させるゴニオメータ装置などの複数の構成要素からなっていてもよい。

ステージ６は、図１Ｃに示すように、特定の間隔及び角度で試料７を回転及び並進させ、試料７の異なる回転で試料７を格子状に走査するように構成されている。

試料７は、一実施形態では、ビームに対して垂直な第１の並進軸及び第１の並進軸及びビームに対して垂直な第２の並進軸に沿って並進させることができる。試料７の所望のゲージ体積は、第２の並進軸に沿って複数の層に分割される。

それにより、この方法は、ビームに対して垂直な第１の並進軸において層ごとに試料７を走査することからなる。図１Ｃのｉ）には、第２の並進軸に沿った試料７の上面図が示されており、試料７は、ｙ軸に沿って５ステップで試料を並進させることによって走査され、図１Ｃのｙ軸は、第１の並進軸に対応し、ｚ軸は、第２の並進軸に対応し、ビームは、ｘ軸に沿って伝搬する。

これらの並進ステップの各々は、照明されている異なる内部試料体積１２によって生成されるラウエ回折パターン１３の別々の測定及び記録に対応する。図１Ｃのｉ）では、Ｘ線ビームの大半が線として示されているが、ビームは、試料内の内部試料体積が照明されるように、図ｌＣのｉ）で１本のビームについて示されるように。有限の直径を有する。

図１Ｃのｉｉ）に示すように、試料７をｙ軸に沿って走査した後、試料７を特定の回転間隔で回転させ、ｙ軸に沿って試料７を再度走査するが、この手順で、試料７は９０度回転し、ｙ軸に沿って試料７が再び走査され、１回転が終わるたびに、ｙ軸に沿った走査が実行される。

回転及び並進ステップは、試料に依存する。走査ステップにおける各々の並進は、別々の測定であり、例えば、図１Ｃのｉｉｉ）に示す例では、試料７の１つの層について、５＊２＝１０回の測定が行われる。

いくつかの実施形態では、データ収集手順は、ビームを試料７の層内の並進範囲の始点に向け、ラウエ回折パターン１３を記録し、一定の並進ステップで試料７を並進範囲に沿って並進させ、新しいラウエ回折パターン１３を記録することである。並進が全並進範囲にわたる場合、試料７を回転させ、並進ステップが繰り返される。この実施形態では回転軸はｚ軸であるが、いくつかの実施形態では、回転軸は第１の並進軸及び第２の並進軸から独立していてもよい。

全回転又は所望の回転範囲が達成されると、試料７は第２の並進軸に沿って並進し（図１Ｃでは第２の並進軸はｚ軸である）、次の層が走査される。いくつかの実施形態では、軸は互いに対して垂直である必要はない。

試料７を異なる回転で走査することによって、試料７の各ボクセル１５は、少なくとも２回の測定中に照明することができる。ボクセル１５は、図１Ｃのｉｉｉ）及びｉｖ）並びに図５に示すように、試料７内の画定された体積である。

同一のボクセル１５から回折パターン１３の２回以上の記録を得ることによって、ボクセル１５は、ラウエ回折パターン１３をインデクシングすることによって再構成できる。試料内の各ボクセル１５は、別々にインデクシングができ、試料７の３Ｄ画像を順次再構成することができる。より小さい並進及び回転ステップを有することで、各ボクセル１５はより多くの測定回で照明され、解像度が向上する。

回転、並進範囲及びステップサイズは、各ボクセル１５が少なくとも２回の記録に確実に記録されるように選択されるが、ボクセル１５のサイズも同様に、固定された並進及び回転ステップ及び／又はビーム径に基づいて選択できることは明白である。ボクセル１５は、並進又は回転ステップが非線形である場合に起きることであるが、試料内でサイズが異なることがあり、重複することもある。いくつかの実施形態では、並進及び回転ステップは、ゲージ体積内の特定のボクセルのみを特性評価するように選択される。

このことは、各々の画定されたボクセルの結晶方位に関する情報を抽出するために、異なる測定からの共有内部体積からの信号がインデクシングされることを意味する。これらの共有体積（すなわち、ボクセル）は、０度回転の並進測定３及び９０度回転の並進測定３によって画定される、図１Ｃのｉｉｉ）のボクセル１５などの、並進及び回転に基づいて先験的に決定できる。

ボクセル１４は、０度回転の第２の測定（上から）と９０度回転の第３の測定とを用いて再構成される。したがって、特定のボクセルの再構成に使用される測定値の記録は、測定前に先験的に同じ方法で選択することができる。ボクセル１４及び１５のみを特性評価しなければならない場合、３回の測定しか必要でない。したがって、測定手順は、ゲージ体積内の所望のゲージ体積及びボクセルに基づいて先験的に選択することができる。

したがって、並進ステップ及び範囲、及び回転は、ゲージ体積内のボクセルに基づいて選択され、各ボクセルは、少なくとも２回の測定中にその全体又は一部が確実に照明される。測定値は、ボクセルを再構成するために正しい測定値を選択するために、並進及び回転ステップに関するメタデータを含んでいてもよい。図１Ｃで、測定は、走査位置、回転位置、及び層位置に関するメタデータを含むことができる。これらのデータはまた、試料７の（第１の並進軸座標、第２の並進軸座標、回転）データを含んでいてもよく、データは、ステージ６内の位置決め構成要素などによって、ステージによって提供することができる。

この方法は、試料７の面に投影される格子として見ることができ、次いで、同じ格子点が、同じ空間座標を有する新たに回転した試料７上に投影されるように、格子点を空間的に固定したまま、試料を回転させる。特定の回転、並進ステップサイズ及び層サイズが、試料及びビームの形状及び厚さと他の測定因子とに基づいて選択される。

例えば、図１Ｃに示すように、走査されたｙ軸及び３層に沿って９０度の回転ステップ及び３６０度の回転範囲で５回の並進を行った場合、測定回数は４＊５＊３＝６０となり、試料内で少なくとも５＊５＊３＝７５個の個々のボクセルを試料７内で特性評価することができる。これらの測定値のいくつかはヌル測定値であってもよい。

集光ビーム５によって照明される内部試料体積１２は、いくつかの実施形態では重複していてもよく、他の実施形態では重複していなくてもよい。これらの内部試料体積の数及び重複は、結果として得られる３Ｄ画像の解像度を決定することがある。

そのようなシステムを有することで、一実施形態では、粒径が約１μｍ未満の粒子を特性評価することができる。特性評価できる特定の粒径は、集光光学部品４の仕様と、選択された内部試料体積１２相互間の重複とに依存することがある。集光光学部品４は、Ｘ線ビームを要求される直径に集光するだけでなく、フラックスを増加させる。したがって、システムは、実験室設定においてシンクロトロン走査３ＤＸＲＤの発想とシンクロトロンラウエマイクロ回折とを組み合わせている。

好ましい一実施形態では、実験室のＸ線源２は、５～１５０ｋｅＶの範囲のＸ線エネルギーを有する多色ビーム３を生成する。これらのエネルギーは、普通は、金属対象物、回転アノード、液体金属アノード、又は線形加速放射源などを利用するＸ線管によって生成できる。いくつかの実施形態では、放射源２は、対応するより高いフラックスを有するシンクロトロン放射源であってもよい。開示されたシステム及び方法は、実験室設定と同様、シンクロトロン設定でも等しく良好に機能する。

一実施形態では、集光光学部品４は、Ｘ線ビームを２０μｍ未満、好ましくは１０μｍ未満、より好ましくは５μｍ未満、最も好ましくは１μｍ未満のスポット径に集光する。ビームを集光させることで、同時に集光ビーム５の強度が向上する。

集光光学部品４の選択は、特性評価する粒子に依存する。この例として、１～５μｍ径の粒子を特性評価するときに、集光光学部品４は、最良の選択として、ビーム３を５μｍ未満のスポット径に集光させる。一実施形態では、集光光学部品４は、１μｍ径の粒子を最適な方法で考察できるように、ビーム３を１μｍ未満のスポット径に集光させてもよい。

いくつかの実施形態では、集光光学部品４は、双放物面Ｘ線ミラーレンズ、楕円面光学部品、ポリキャピラリ光学部品、及びキルクパトリック－バエツミラーなどである。双放物面Ｘ線ミラーを使用することによって、ビーム４を５μｍ又はそれより小さいスポット径に集光させることができる。

検出器９は、内部試料体積１２から照射される回折光を測定できる限り、入射ビームに対してある角度を持って配置することができる。そのような一実施形態では、検出器が透過ビーム１１の経路に配置されていないため、ビームストップ１０は必要ない。検出器９が透過ビーム１１の経路内に配置されている場合、ビームストップ１０を配置して、この透過ビームを遮断することができる。

図２に示すように、一実施形態では、検出器９は、集光ビーム５に対して９０度の角度で配置してもよい。したがって、検出器は、透過幾何学構造（０度）又は反射モード（９０度）又は逆投影モード（１８０度）又は任意の他の角度に配置することができる。システムは、放射源２からの直接ビームを遮断するための、放射源２と試料７との間のシールド１６を含んでいてもよい。

図３に示すように、２つ以上の検出器９は、一実施形態では、回折Ｘ線８の経路内の異なる位置に配置してもよく、検出器９は、回折Ｘ線８によって画定されるラジアル平面内に非重複領域を有する。これによって、いくつかの小型の検出器９を並べて配置することで、大きな検出器領域が作成される。

一実施形態では、検出器９は、検出器は、試料７から５～１０ｍｍから１メートルの位置に配置されていてもよく、集光光学部品４は、試料７から２０～５０ｍｍの位置（光学部品の端部から試料まで測定した）に配置されていてもよい。検出器９及び光学部品４の正確な配置は、要求されるスポット径、光学作動距離、検出器の画素サイズ、及び他の外部要因に依存する。

試料の３Ｄ画像を生成する方法を示すフロー図が図４に示されている。この方法は、第１のステップで、実験室のＸ線源２を３０μｍ未満のスポット径に集光させることと、集光ビーム５を特性評価すべき試料７内に向け、それによって内部試料体積１２を照明して回折Ｘ線８を生成することと、からなる。この例では、ビーム３、５は水平であるため、第１の並進軸は水平方向であり、第２の並進軸は垂直方向である。

この方法の第２のステップで、試料７はビーム３、５に対して水平方向に走査される。各々の並進は、ラウエ回折パターンが記録される新しい測定値に対応する。試料７が水平方向に完全に走査されると、試料７は第３のステップで回転し、ステップ２に従って再度水平方向に走査される。

回転の仕様に従って試料７が完全に回転すると、第４のステップで試料７を垂直方向に並進させ、試料７の新しい層を特性評価し、ステップ２～４を繰り返す。この手順は、特性評価のために選択された試料７のゲージ体積の全てが走査されるまで実行される。

試料７が完全に走査されると、回折パターン１３の記録を用いて、ゲージ体積の個々のボクセル１５をインデクシングして、試料の３Ｄ画像を再構成することができる。ステップ２、３及び４は入れ替えが可能であり、任意の順序で行うことができ、また回転を任意のステップで行うことができ、ステップ２、３及び４は混ぜ合わせてもよいことは明白である。

層の厚さ及び並進のサイズは、試料７のゲージ体積内で特性評価されるボクセル１５に基づいて事前に選択できる。

一実施形態では、内部試料体積１２は、特定の間隔で試料７を回転及び並進させることによって、集光ビーム５によって照明可能な試料７の体積をカバーする。走査された試料体積はゲージ体積とも呼ばれ、ゲージ体積内の全てのボクセルを再構成することができる。

試料の一部のみを特性評価する必要がある場合、試料が回転している間、試料の当該一部のみが走査範囲によってカバーされる。したがって、ゲージ体積は、試料の一部であってもよく、又は試料全体であってもよい。

いくつかの実施形態では、試料７の走査中に内部試料体積１２相互間に重複する領域があり、したがって、試料７は、走査中に、集光ビーム５のスポット径より小さいステップサイズで並進する。内部試料体積１２の正確な配置及び数は、所望の解像度、カバレッジ、試料のサイズなどの、試料７の特定の要求事項に依存する。

一実施形態では、回転間隔は約１～９０度であってもよく、並進間隔は１～３０μｍなどのビームスポット径のサイズであってもよく、層の厚さも、ゲージ体積全体が照明され、内部試料体積１２の全てがゲージ体積となることを保証できるように、１～３０μｍなどのビームスポット径範囲であってもよい。

少なくとも２回の測定によって特性評価すべき各々のボクセルからの回折パターン１３が記録されるように、充分な内部試料体積１２が集光ビームによって照明されたときに、記録された回折パターン１３がインデクシングされ、試料７の粒子構造の３Ｄ画像が再構成される。この手順は、個々のボクセルについてパターンを別々にインデクシングし、異なるインデクシングされたボクセルを補間することによって３Ｄ体積を再構成することで実行される。

インデクシングは、一実施形態では、パターンマッチング、辞書インデクシングであってもよく、又は、ディープラーニング法、又は、ＡＩ、ニューラルネットワークなどの他のタイプの訓練済みネットワークを使用することによって実行されてもよい。

試料７が外部刺激にさらされると、試料７は時間と共に構造及び特性を変えることがある。したがって、同じ内部試料体積について異なる時間間隔でラウエ回折パターンを検出することによって、試料の４Ｄを構築することができる。これによって、外部刺激下で結晶性材料をモニタし検査することができる。

結論として、本発明は、以下の項目の１つ以上を含んでいてもよい。
ｉ．－集光光学部品（４）と、
－集光光学部品（４）から離れた距離に配置する特性評価される試料（７）と、
－多色Ｘ線ビーム（３）を生成するための実験室のＸ線源（２）とを含み、
－当該集光光学部品（４）がＸ線源（２）と試料（７）との間のビーム（３）の経路内に配置され、試料（７）内の撮像点において３０μｍ未満のスポット径を有する集光ビーム（５）を生成し、当該集光ビーム（５）が、試料（７）内でビーム（５）によって照明される内部試料体積（１２）から回折して、回折Ｘ線（８）を生成し、
－試料（７）を保持するためのステージ（６）であって、試料（７）を集光ビーム（５）に対して回転及び並進させるように構成されたステージ（６）と、
－回折Ｘ線（８）のラウエ回折パターン（１３）を検出するように構成された検出器（９）と、を含む、結晶性材料を特性評価するための実験室ベースの３Ｄ走査Ｘ線ラウエマイクロ回折システム（１）。
ｉｉ．－実験室のＸ線源（２）を試料内（７）の３０μｍ未満のスポット径に集光させて集光ビーム（５）を生成することと、
－ビーム（５）に対して垂直な第１の並進軸を画定することと、
－第１の並進軸及びビーム（５）に対して垂直な第２の並進軸を画定することと、
－第２の並進軸に沿って試料（７）の所定のゲージ体積内に１つ又は複数の層を画定することと、
－試料（７）を第１の並進軸に沿って特定の間隔で並進させ、結果として生じる回折パターンを並進ステップごとに記録することによって、試料（７）の各層を走査することであって、
－試料（７）の各層が、試料（７）の異なる回転において走査され、各ボクセル（１５）からのラウエ回折パターンが少なくとも２回の記録において記録されるように、２回以上の回転において、層内の各ボクセル（１５）を照射し、
上記層が、第２の並進軸に沿って試料（７）を次の層に並進させることによって走査され、
－記録されたラウエ回折パターン（１３）をインデクシングして、試料（７）の粒子構造の３Ｄ画像を再構成することと、を含む、結晶性材料の３Ｄ配向イメージングを生成するための方法。

本発明を特定の実施形態に関連して説明してきたが、本発明は、決して、提示された例に限定されると解釈すべきではない。本発明の範囲は、添付の１組の請求項に記載されている。特許請求の範囲の文脈では、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」又は「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」という用語は、他の可能な要素又はステップを除外しない。また、「ａ」や「ａｎ」などの参照の記載は、複数を排除していると解釈すべきではない。図面に示された要素に関する特許請求の範囲における参照符号の使用も、本発明の範囲を限定していると解釈すべきではない。さらに、異なる請求項に記載された個々のフィーチャは、有利に組み合わせられる場合があり、異なる請求項におけるこれらのフィーチャの記載は、フィーチャの組み合わせが可能ではないが有利であることを排除しない。

１．実験室ベースの３Ｄ走査Ｘ線ラウエマイクロ回折システム
２．実験室のＸ線源
３．多色Ｘ線ビーム
４．集光光学部品
５．集光ビーム
６．ステージ
７．試料
８．回折Ｘ線
９．検出器
１０．ビームストップ
１１．透過ビーム
１２．内部試料体積
１３．ラウエ回折パターン
１４．別のボクセル
１５．ボクセル
１６．シールド

Claims (15)

1. 集光光学部品（４）と、
   前記集光光学部品（４）から離れた位置にある特性評価される試料（７）と、
   多色Ｘ線ビーム（３）を生成するための実験室のＸ線源（２）とを含み、
   前記集光光学部品（４）が前記Ｘ線源（２）と前記試料（７）との間の前記ビーム（３）の経路内に配置され、前記試料（７）内の撮像点において３０μｍ未満のスポット径を有する集光ビーム（５）を生成し、前記集光ビーム（５）が、前記試料（７）内で前記ビーム（５）によって照明される内部試料体積（１２）から回折して、回折Ｘ線（８）を生成し、
   前記試料（７）を保持するためのステージ（６）であって、前記試料（７）を前記集光ビーム（５）に対して所定の間隔及び角度で回転及び並進させるように構成されたステージ（６）と、
   前記回折Ｘ線（８）のラウエ回折パターン（１３）を検出するように構成された検出器（９）と、を含む、結晶性材料を特性評価するための実験室ベースの３Ｄ走査Ｘ線ラウエマイクロ回折システム（１）。
2. 前記試料（７）、及び／又は集光光学部品（４）を通過しない前記放射源からの直接の前記ビーム（３）を遮断するために前記試料（７）と前記放射源（２）との間に配置されたシールド（１６）の後方に、透過ビーム（１１）を遮断するためのビームストップ（１０）が配置される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記実験室のＸ線源が、５～１５０ｋｅＶの範囲のＸ線エネルギーを有する多色ビームを生成する、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記集光光学部品（４）が、２０μｍ未満、好ましくは１０μｍ未満、より好ましくは５μｍ未満、又は最も好ましくは１μｍ未満のスポット径に前記Ｘ線ビームを集光させる、請求項１から３の何れか１項に記載のシステム。
5. 前記検出器（９）が、光子計数、フラットパネル、シンチレータベースのＣＣＤ又はＣＭＯＳ検出器のタイプである、請求項１から４の何れか１項に記載のシステム。
6. 前記集光光学部品（４）が、二重放物面Ｘ線ミラー光学部品、楕円面光学部品、ポリキャピラリ光学部品、キルクパトリック－バエツミラー、又は同種のものである、請求項１から５の何れか１項に記載のシステム。
7. ２つ以上の検出器（９）が前記回折Ｘ線（８）の経路内の異なる位置に配置され、前記複数の検出器（９）が、前記回折Ｘ線（８）によって画定されるラジアル平面内に非重複領域を有する、請求項１から６の何れか１項に記載のシステム。
8. 前記検出器（９）が、前記試料（７）から５～１０ｍｍから１メートルの位置に配置され、前記集光光学部品（４）が、前記試料（７）から２０～５０ｍｍの位置（前記光学部品（４）の端部から前記試料（７）まで測定した）に配置された、請求項１から７の何れか１項に記載のシステム。
9. 実験室のＸ線源（２）によって生成される多色Ｘ線ビーム（３）を試料内（７）の３０μｍ未満のスポット径に集光させて集光ビーム（５）を生成することと、
   前記ビーム（５）に対して垂直な第１の並進軸を画定することと、
   前記第１の並進軸及び前記ビーム（５）に対して垂直な第２の並進軸を画定することと、
   前記第２の並進軸に沿って前記試料（７）の所定のゲージ体積内に１つ又は複数の層を画定することと、
   前記試料（７）を前記第１の並進軸に沿って特定の間隔で並進させ、結果として生じる回折パターンを並進ステップごとに記録することによって、前記試料（７）の各層を走査することであって、
   前記試料（７）の各層が前記試料（７）の異なる回転において走査され、各ボクセル（１５）からのラウエ回折パターンが少なくとも２回の記録において記録されるように、２回以上の回転において前記層内の各ボクセル（１５）を照射し、
   前記層が、前記第２の並進軸に沿って前記試料（７）を次の層に並進させることによって走査され、
   前記記録されたラウエ回折パターン（１３）をインデクシングして、前記試料（７）の粒子構造の３Ｄ画像を再構成することと、を含む、結晶性材料の３Ｄ配向イメージングを生成するための方法。
10. 前記第１の並進軸に沿った前記並進ステップが、前記ビーム径及び前記試料の粒径に基づいて選択され、前記並進範囲が、前記複数の回転で前記試料（７）の最長辺の一部又は最長片の全部をカバーする、請求項９に記載の方法。
11. 前記回転間隔が、約１～９０度であり、前記並進間隔がビームスポット径に対応する１～３０μｍの範囲である、請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記回転間隔が、異なる回転についても同じである、又は最初に３０度の回転、次いで６０度の回転など、回転ごとに変化する、請求項９から１１の何れかに記載の方法。
13. 前記回転が、前記試料の１／４回転、半回転、又は全回転、又は他のいくつかの回転範囲まで広げられる、請求項９から１２の何れかに記載の方法。
14. 前記ラウエ回折パターンが、異なる時間間隔で検出され、時間が結晶性材料の第４の次元である４Ｄ画像を生成する、請求項９から１３の何れかに記載の方法。
15. 前記インデクシングが、パターンマッチング、辞書インデクス、深層学習のタイプである、請求項９から１４の何れかに記載の方法。

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