JP6117086B2 - 偏向可能な電子ビームを用いるｘ線装置 - Google Patents

Description

本発明は、
− 電子ビームを放出する電子ビーム源と、
− 電子ビームが誘導されて焦点スポットが形成されるターゲットと、
− 焦点スポットから放出されるＸ線を収集し、Ｘ線ビームを形成するＸ線光学系と、
− Ｘ線ビームが誘導されるサンプル位置と
を備えるＸ線装置に関する。

このようなＸ線装置は米国特許第７，９２９，６６７（Ｂ１）号において知られている。

Ｘ線によって、サンプルを破壊することなく、効率的に調査することができる。サンプルについての解析的情報を得るために、Ｘ線は数多くのやり方でサンプルと相互作用することができ、Ｘ線回折（ＸＲＤ）およびＸ線蛍光（ＸＲＦ）が２つの重要な方法となっている。一般的に、Ｘ線解析実験において高い信号対雑音比を得るのに、高いＸ線強度が有用である。

Ｘ線は、通常、ターゲット上に電子ビームを誘導することによって生成される。ビーム電子を減速し（制動放射をもたらす）、またターゲット材料の空乏化した深い電子殻を補充する（特徴的なＸ線をもたらす）ことによって、ターゲット上の電子ビームの焦点スポット内でＸ線が放出される。特定の波長のＸ線を生成するために、モノクロメータを用いることができる。さらに、サンプルが焦点スポットから著しく離間している場合には、ゲーベルミラーまたはモンテル光学系（Montel optics）のような適切な光学系によってＸ線を合焦させることが有用である。

米国特許第６，２４９，５６６（Ｂ１）号は、微小焦点Ｘ線源とモンテル光学系とを組み合わせて、サンプル上でＸ線を合焦させることを提案する。約３０μｍ以下の見掛け焦点スポットサイズが提案される。

米国特許第７，９２９，６６７（Ｂ１）号において、特定の高い明度のＸ線源が提案されており、ガリウムのような液体金属のジェット上に電子ビームが合焦する。ターゲットが既に液体であり、焦点スポットから発生した熱を迅速に散逸することができるので、電子ビームに起因するターゲット上でのより高い電力負荷、それゆえ、高い明度レベルが可能である。多層Ｘ線合焦素子を用いて、Ｘ線ビームを成形することができる。約１０μｍ〜約１５μｍの焦点スポットサイズが言及されている。

米国特許第６，７１１，２３３（Ｂ２）号はまた、電子ビームが液体金属ジェットターゲット上に誘導されるＸ線源を提案する。電子ビームのサイズをジェットのサイズと一致させることが提案されており、そのジェットは約１μｍ〜１００μｍの直径を有する。

微小焦点Ｘ線源とＸ線光学系とを組み合わせるとき、これらの構成要素を互いに位置合わせする必要がある。この場合の位置合わせは、ミラーの下流におけるビーム特性の或るアスペクトが最大化されることを意味する。目的とする用途によって、このアスペクトは、例えば、束密度または積分束とすることができる。古典的なＸ線システムでは、これは、Ｘ線光学系を変更し、Ｘ線光学系を機械的に位置決めし直すことによって達成される。しかしながら、Ｘ線光学系をμｍ範囲で機械的に移動させて、Ｘ線源の焦点スポットをＸ線光学系の焦点と一致させることは、特に位置合わせ機構のバックラッシュに起因して、実際には難しい。

本発明の目的は、微小焦点Ｘ線源に対するＸ線光学系の位置合わせが簡単であるＸ線装置を提供することである。

この目的は、本発明に従って、冒頭において述べられたようなＸ線装置によって達成され、そのＸ線装置は、ターゲット上の焦点スポットを移動させるのに適した静電的または電磁的電子ビーム偏向デバイスをさらに備え、ターゲットが曲率半径Ｒを有する曲面を有し、０＜Ｒ≦１０ｍｍであり、電子ビーム偏向デバイスは、平面ｙｚにおいて、ターゲット上で焦点スポットを移動させることができ、Ｘ線光学系は、平面ｙｚ内の一の方向において、焦点スポットから放出されたＸ線を収集するように位置決めされ、さらに、いずれの方向においても、焦点スポットの広がりは、ターゲットの広がりの少なくともＦ分の１以下であり、倍率Ｆ＝１．５であることを特徴とする。

電子ビーム偏向デバイスによって、ターゲット上で焦点スポットを移動させることができる。ターゲット上の電子ビームの焦点スポットがＸ線光学系の焦点と重なり合うときに、Ｘ線装置が位置合わせされる。本発明の装置によれば、Ｘ線光学系を機械的に移動させることなく、焦点スポットを移動でき、これは電気的手段（電極間の電圧を変更すること、電磁コイルに流れる電流を変更すること等）を用いて都合良く行うことができ、特に位置合わせ機構を使用しない。電気的な位置合わせは再現性が高く、より高い精度を可能にし、特にバックラッシュの影響を受けない。したがって、本発明の装置は迅速かつ簡単に位置合わせすることができる。

本発明によれば、焦点スポットはサイズ（広がり）Ｓを有し、Ｓ＊Ｆ≦Ｔである。Ｆ＝１．５であり、Ｔはターゲットのサイズ（広がり）である。この式はいずれの方向においても有効である（すなわち、ＳおよびＴは同じ方向において測定されるが、その方向は任意に選択することができる。さらに以下では、方向ｘ、ｙ、ｚにおける焦点スポットおよびターゲットのサイズとしてＳＸ、ＳＹ、ＳＺおよびＴＸ、ＴＹ、ＴＺがさらに詳細に論じられる）。これは、焦点スポットが、ターゲットから離れることなく、いずれの方向においても最小の利用可能位置合わせ範囲を有すること意味する。この要件によって、ターゲットとＸ線光学系とを機械的手段によって粗く予備位置合わせした後に、電子ビーム偏向デバイスによる細かい位置合わせが確実に容易に実現可能となる。

焦点スポット（および電子ビーム）の広がりは電子強度分布の半値全幅（ＦＷＨＭ）として求めることができる。Ｘ線ビームの広がりは光子強度分布の半値全幅として求めることができる。電子ビーム偏向デバイスは電子ビーム源に含まれる場合がある（その際、電子ビーム源はビーム偏向を調整する制御入力を必要とする）が、典型的には電子ビーム源とは別であることに留意されたい。電子ビームは１００μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下のような、微小焦点Ｘ線源に相応しい十分小さな（最大）直径を有する。

Ｘ線装置は典型的にはＸ線解析装置であり、解析対象のサンプル（典型的には単結晶サンプル、薄膜サンプル、または粉末サンプル）がサンプル位置に位置する。本発明のＸ線装置を用いて行われることになる典型的なＸ線測定は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）であり、具体的には、単結晶Ｘ線回折、高解像度薄膜解析、斜入射回折、微小回折および（斜入射）小角散乱である。

本装置の好ましい実施形態では、ターゲットは液体金属ジェットターゲットである。これにより、特に高い輝度が可能となる。焦点スポットにおけるターゲット材料は絶えず入れ替わり、これによりターゲットの局所的な過熱（例えば、蒸発）を回避する。さらに、ジェットは、典型的には円形に湾曲している曲面をなすターゲット面（以下を参照）を設ける簡単な方法である。

好ましいのは、本発明のさらなる発展形態であり、液体金属ジェットターゲット伝搬方向に対して横切る方向および電子ビームの伝搬方向に対して横切る方向において、焦点スポットの広がりは、液体金属ジェットターゲットの広がりの少なくともＦＴ分の１以下であり、倍率ＦＴ＝２であり、好ましくはＦＴ＝５である。これにより、ターゲット上の焦点スポットの利用可能な位置合わせ範囲が拡大される。さらに、ターゲットの曲率は見掛けスポットサイズおよびターゲットの自己吸収にさらに強い影響を及ぼす。

極めて好ましい実施形態では、ターゲットは曲面、具体的には、曲率半径Ｒを有する曲面を有する。０＜Ｒ≦１０ｍｍ、好ましくは、０＜Ｒ≦１ｍｍである。曲面により、ターゲット上で焦点スポットを移動させることによって、焦点スポットの見掛けスポットサイズを調整可能となる。電子ビームがターゲット面に垂直に、または概ね垂直に突き当たるとき、電子ビームに対して約９０°で放出されるＸ線ビームは、小さな焦点スポット（小さな見掛けスポットサイズ）を有するように見える。一方、電子ビームが、概ね接線角に対してフラットまたは平行にターゲット面に突き当たるとき、電子ビームに対して９０°で放出されたＸ線ビームは大きな焦点スポット（大きな見掛けスポットサイズ）を有するように見える。しかしながら、後者のＸ線ビームの方がより自己吸収が小さい。この実施形態によれば、ターゲットは、非曲面の部分を有することもできることに留意されたい。ターゲットの曲面の少なくとも一部が電子ビーム源に面し、焦点スポットが前記部分を横切って移動できるようにする。前記部分において曲率半径が変化する場合があることに留意されたい。

この実施形態のさらなる発展形態では、電子ビーム偏向デバイスは、ターゲット面が曲面をなす平面においてターゲット上で焦点スポットを移動させるのに適している。その際、ターゲットによる焦点スポットサイズの調整は電気的なやり方で特に簡単に行うことができる。

特に好ましいのは、Ｘ線装置が、焦点スポットのスポット面積を少なくともＦＳ倍ほど変更するのに適した静電的または電磁的電子ビーム合焦デバイスをさらに備える実施形態であり、倍率ＦＳ＝２であり、好ましくは、ＦＳ＝５である。電子ビーム合焦デバイスによって、ターゲット上の焦点スポットを拡縮できるようになる。この手段によって、ｅビーム出力を変更することなく、サイズ、形状、発散または（積分）強度のような、結果として生じるＸ線ビームのさらなる特徴を調整することができる。電子ビーム合焦デバイスは電子ビーム源に含まれる場合がある（その際、電子ビーム源はビーム合焦を調整する制御入力を必要とする）が、典型的には電子ビーム源とは別であることに留意されたい。電子ビーム合焦デバイスは電子ビーム偏向デバイスと統合することができる。

この実施形態の好ましいさらなる発展形態では、電子ビーム合焦デバイスは、１つまたは複数の電磁コイル、および／または１つまたは複数の帯電電極を備える。これらの簡単な要素が実際に良好な結果を示した。コイルによって生成された磁界、または電極における電界によって、電子の移動に影響を及ぼすことできる。

さらに好ましいのは、電子ビーム偏向デバイスが、ターゲット上で焦点スポットを少なくとも距離Ｄほど移動させるのに適した実施形態であり、Ｄ＝５０μｍであり、好ましくは、Ｄ＝２００μｍである。これらの範囲は典型的には、ターゲットと電子ビームとの簡単な相対的位置合わせの場合、および曲面をなすターゲット面において見掛けスポットサイズを調整する場合の両方において非常に適している。

有利な実施形態では、電子ビーム偏向デバイスは、電子ビームの伝搬方向に対して垂直な２つの独立した方向において電子ビームを偏向させるのに適しており、具体的には、２つの独立した方向は互いに垂直である。前記２つの直線的な独立した移動方向によって、ターゲット上の位置合わせエリアに接近可能である。２つの独立した方向が垂直に配向されていることによって、ターゲット上の特定のスポットに接近するのが簡単になる。

さらに好ましいのは、電子ビーム偏向デバイスが、１つまたは複数の電磁コイル、および／または１つまたは複数の帯電電極を備える実施形態である。これらの簡単な要素が実際に良好な結果を示した。コイルによって生成された磁界、または電極における電界によって、電子の移動に影響を及ぼすことできる。

特に好ましいのは、Ｘ線光学系が、多層ミラー、具体的には、モンテルミラー（Montel mirror）またはゲーベルミラーまたは入射Ｘ線のサジタル方向およびメリジオナル方向の両方に対して曲面をなす単一の反射面を有するミラーを含み、および／またはキャピラリＸ線光学系を含む実施形態である。これらの要素によってＸ線を正確に合焦および／またはコリメート可能であることが実証されている。具体的には、そのＸ線光学系は、米国特許第７，２４８，６７０（Ｂ２）号において記述されるような二重曲面ミラーを備えることができる。

好ましい実施形態では、倍率Ｆ＝２であり、好ましくは、Ｆ＝５である。これにより、ターゲット上の焦点スポットの利用可能な位置合わせ範囲が拡大される。さらに、ターゲットの曲率は、見掛けスポットサイズおよびターゲットの自己吸収にさらに強い影響を及ぼす。

さらに好ましいのは、Ｘ線光学系が、ターゲットに突き当たる電子ビームの伝搬方向に対して基本的に９０°で焦点スポットから放出されるＸ線を収集するように位置決めされる実施形態である。この向きでは、高いＸ線強度レベルを得ることができ、曲面をなすターゲット面によるスポットサイズ調整が良好に機能する。Ｘ線光学系は典型的には、電子ビームに対して８５°から９５°の間（これらの値も含む）の角度に配置され、１０°以下、典型的には５°以下の角度間隔でＸ線を用いる。

さらに本発明の範囲内には、Ｘ線装置、具体的には、上記のような本発明のＸ線装置を位置合わせする方法があり、その装置は、
− 電子ビームを放出する電子ビーム源と、
− 電子ビームが誘導されて焦点スポットが形成されるターゲットと、
− Ｘ線光学系であって、Ｘ線光学系の焦点からＸ線を収集するＸ線光学系とを備え、
焦点スポットがＸ線光学系の焦点と重なり合うまで、電界および／または磁界によって電子ビームを偏向させることにより、焦点スポットをターゲット上で移動させることを特徴とする。粗い機械的な予備位置合わせ後に、この細かい位置合わせは、電気的手段によって実行するのが簡単であり、再現性が高く、正確であり、機械的バックラッシュを受けない。典型的には、細かい位置合わせは、Ｘ線光学系の下流（後方）に配置される検出器において光子束を同時に監視しながら、焦点スポット位置を繰返し、または絶えず変更することを含む。

また、本発明の範囲内には、Ｘ線装置、具体的には、上記のような本発明のＸ線装置を位置合わせする方法があり、その装置は、
− 電子ビームを放出する電子ビーム源と、
− 電子ビームが誘導されて焦点スポットが形成される、ターゲットと、
− Ｘ線光学系であって、Ｘ線光学系の焦点からＸ線を収集する、Ｘ線光学系とを備え、Ｘ線光学系によって形成されたＸ線ビームの光子束または光子束密度が最大化されるまで、電界および／または磁界によって電子ビームを偏向させることにより焦点スポットをターゲット上で移動させ、および／または電界および／または磁界によって電子ビームの合焦を変更することにより、焦点スポットのスポット面積を変更することを特徴とする。先と同様に、この位置合わせは電気的手段によって実行するのが簡単であり、再現性が高い。典型的には、位置合わせでは、焦点スポット位置が繰返し、または絶えず変更される。光子束密度は、例えば、Ｘ線光学系の下流にあるサンプル位置または検出器位置において測定することができる。Ｘ線光学系が合焦タイプからなる場合には、光子束密度が最適化パラメータであり、典型的には、Ｘ線光学系の像焦点（第２の焦点）において測定される。Ｘ線光学系がコリメーティングタイプからなる場合には、立体角当たりの光子束が最適化パラメータであり、Ｘ線光学系の下流のいずれかの場所において発散および光子束を測定することができる。上記の本発明による方法内で、焦点スポットの広がりは典型的には、常に、いずれの方向においてもターゲットの広がりの少なくともＦ分の１以下であり、倍率Ｆ＝１．５であり、好ましくはＦ＝２であり、最も好ましくはＦ＝５であることに留意されたい。

この後者の本発明の方法の好ましい変形形態では、装置は２つの動作モード間で切り替えられ、動作モードのうちの第１の動作モードでは、光子束が最大化され、動作モードのうちの第２の動作モードでは、光子束密度が最大化される。動作モードを変更することによって、その装置はＸ線光学系を変更する必要なく専用の解析測定に適合することができる。したがって、この本発明の方法によって時間およびコストが大きく節減される。光子束密度が最大化されると、限られた局所的エリアからの回折データを十分に得ることができる。光子束が最大化されると、短時間に高い信号対雑音比で回折データを得ることができる。動作モードの変更は、具体的には、曲面をなすターゲット面上の焦点スポットを異なる位置に移動させることによって行うことができる。

有利なさらなる発展形態では、装置のターゲットは、曲率半径Ｒを有する曲面を有するターゲットとして選択される。０＜Ｒ≦１ｍｍである。これにより、ターゲット上で焦点スポットを移動させることによって動作モードの変更が簡単になる。

さらなる利点は本説明および添付の図面から引き出すことができる。上記および下記の特徴は、本発明に従って単独で使用することも、またはいずれかの組合せにおいて併用することもできる。記載の実施形態は、網羅的な列挙と理解されるべきではなく、本発明を説明する例示的な特徴を有する。

本発明は図面に示される。

平坦なターゲットにおける電子ビームの焦点スポットを移動させる電子ビーム偏向デバイスを備える、本発明のＸ線装置の一実施形態を示しており、電子ビームが偏向されていない場合の概略図である。 図１ａの実施形態において電子ビームが偏向されている場合の図である。 焦点スポットのサイズを調整するさらなる電子ビーム合焦デバイスを備える、本発明のＸ線装置の第２の実施形態を示す概略図である。 ターゲットよりもはるかに狭い電子ビームが基本的に垂直に突き当たる、曲面をなすターゲットの概略的な断面図である。 電子ビームがフラットな角度で突き当たる、図２ａの曲面をなすターゲットの概略的な断面図である。 液体金属ジェットターゲットを用いる本発明のＸ線装置の一部の概略図である。 曲面をなすターゲット上で電子ビームの焦点スポットを移動させる電子ビーム偏向デバイスを備える、本発明のＸ線装置の別の実施形態の概略図である。 本発明による、曲面をなすターゲット上の焦点スポットのサイズを調整する電子ビーム合焦デバイスを備えるＸ線デバイスの概略図である。 本発明による、液体金属ジェットターゲット上の円形焦点スポットの概略的な正面図である。 焦点スポットを通る、図４ａのターゲットの概略的な断面図である。 本発明による、液体金属ジェットターゲット上の楕円形焦点スポットの概略的な正面図である。 キャピラリ光学系を備える、本発明のＸ線装置の別の実施形態を示す概略図である。 本発明のＸ線装置上で測定された、異なるサンプルサイズに関して束密度が最大化された場合および束が最大化された場合の位置合わせ位置における平均Ｘ線強度の比を示すグラフである。

本発明に関する概説
本発明はＸ線源、具体的には、微小焦点Ｘ線源を備え、ターゲット、具体的には液体金属ジェットターゲット上の電子ビームの位置を、好ましくは２つの方向において絶えず変更可能なＸ線装置を提案する。言い換えると、電子ビームの焦点スポットの位置は可変である。スポット位置を変更するために、電子ビームに電界および／または磁界をかけることによって、電子ビームを偏向させることができる。

可変スポット位置の利点として、Ｘ線源および後続のＸ線光学系を迅速かつ容易に位置合わせすることができる。従来技術では、位置合わせは機械的にのみ行われる。光学系ハウジング内、および／またはハウジングにおける機構のバックラッシュに起因して、位置合わせ（これは主ビームの光子束を増やすことによって行われる）の最適化は難しく、時間がかかる。しかしながら、ターゲット上の焦点スポット位置を変更することによって、具体的には、光子束または光子束密度が最大化されるようにＸ線光学系および焦点スポットの相対位置を変更し、それゆえ、最適化することができる。スポット位置は機械的にではなく、電極またはコイル（例えば、Ｘ線源内にある）によって電磁的に変更されるので、この位置合わせ手順は、μｍ範囲の精度で十分に再現性がある。

好ましくは、ターゲットは曲面を有し、例えば、ターゲットは液体金属ジェットタイプからなり、これが本発明にとって好ましい。ジェットの流れ方向に対して垂直に電子ビームを移動させることによって、Ｘ線放出エリアの投影サイズを絶えず変更することができる。前記微小焦点Ｘ線源と曲面（具体的には、楕円形または放物形）をなす多層ミラーとを組み合わせることによって、サンプル位置におけるＸ線ビームのサイズ、形状、発散および強度を適応させることができる。Ｘ線ビームのこれらの特性は絶えず変更することができ、それにより、光学系を交換する必要なくＸ線ビームを実験の要件に合わせることができる。Ｘ線ビーム特性を最適化することにより、データ品質が改善され、測定時間が短くなる。

電子ビームがジェットの中心位置に近接して位置決めされるとき、Ｘ線ビームの取出し角は小さく、ターゲット内のＸ線自己吸収は高いので、見掛けＸ線源サイズが小さくなり、積分束は減少するが、束密度は増加する（「束密度最大化」）。Ｘ線源のこの小さなＦＷＨＭサイズは小さなサンプルを解析するのに最適なＸ線ビーム条件である。合焦光学系を用いるとき、光子の大部分がＸ線ビームの中心にあり、小さなサンプルに突き当たる。これにより、サンプルから回折した強度が最大化されるとともに、サンプルに突き当たらず、背景雑音の一因になるだけの光子の量が少ないので、背景雑音が低減される。

中心から離して液体金属ジェットターゲットのエッジに向かうように電子ビームをシフトするとき、取出し角が増加し、金属ジェットターゲットにおける見掛けスポットサイズが拡大し、かつ自己吸収が減少する。結果として、合焦光学系を用いるとき、Ｘ線ビームのＦＷＨＭは増加し、ピーク強度（束密度）が減少する（「束最大化」）。ジェットのエッジの近くに電子ビームを配置するほど、ジェット内で生成されたＸ線光子の自己吸収が減少するので、束密度最大化と比べて、ここで積分束が増加する。これは、より大きなサンプルを解析するのに最適な条件である。典型的なジェット上の典型的な焦点スポットの位置を変更することによって、積分強度は約２０％ほど、束密度は約５０％ほど容易に変更することができることに留意されたい。図６を比較対照とされたい。このグラフの場合、異なるサンプルサイズにおいて、束および束密度がそれぞれ最大化され、それぞれのサンプル直径に入射する平均束の比がこれらの位置合わせ位置において求められた。その結果によれば、それぞれの実験において用いられるサンプル直径に応じて、束密度または束のいずれかの最適化された位置合わせが好ましい。

好ましくは、本発明のＸ線装置はさらに、電子ビームの合焦を変更することによって、ターゲット上の電子ビームの焦点スポットのサイズを変更することができる（「可変スポットサイズ」）。言い換えると、電子ビームは電磁的手段によって拡大されるか、または縮小される。このように、（微小焦点）Ｘ線源は、金属ジェットターゲット上のｅビームスポットサイズを変更することができる。ｅビームスポットサイズが減少するとき、ターゲットを過熱することなく、電子出力密度を高めることができることがわかった。これを用いて、積分光子束を犠牲にして、光子束密度を高めることができる。ｅビームスポットを小さいと、見掛けＸ線スポットサイズが小さくなり、小さなサンプルの場合に好都合である一方、ｅビームスポットを大きいと、より高いＸ線束においてＸ線スポットサイズを拡大することができ、より大きなサンプルの場合に好都合である。Ｘ線光学系とともに、これにより、システムは、Ｘ線光学系の下流において、サンプル位置上のＸ線スポットサイズのサイズ、Ｘ線ビームの発散および積分束を制御できるようになる。

図示される本発明の実験構成の説明
図１ａは、本発明のＸ線装置１の実施形態を概略的に示す。電子ビーム源２が電子ビーム３を放出する。電子ビーム３は、ここでは固体で、平坦なタイプのターゲット４に突き当たる。本発明とともに使用する典型的な固体ターゲット材料は銅である。電子ビーム３がターゲット４に突き当たる場所は、焦点スポット５と呼ばれる。焦点スポット５において、Ｘ線が生成される。

光学ハウジング６ａ内にある、ここでは、並置直交構成の２つのグレーデッド多層ミラーを備えるモンテル型のＸ線光学系６が、Ｘ線光学系６の焦点７（入口側における焦点距離ｆ_１を比較対照として）およびその付近からＸ線を収集し、それにより、調査対象のサンプル（図示せず）が位置するサンプル位置９に誘導されるＸ線ビーム８を形成する。Ｘ線は、電子ビーム伝搬方向（ここでは負のｚ）に対して約９０°の角度δにおいて収集されることに留意されたい。サンプル位置９を越えた場所に、Ｘ線検出器（図示せず）が位置する。図示される例では、Ｘ線ビーム８はサンプル位置９において合焦する（出口側における焦点距離ｆ_２を比較対照として）。しかしながら、本発明によれば、Ｘ線光学系６によってＸ線ビーム８を平行にする（またはそれ以外の形状にする）こともできる。

図示される構成では、電子ビーム３は偏向せず（すなわち直線的に伝搬しており）、Ｘ線光学系６の焦点７は、電子ビーム３の焦点スポット５からわずかに外れている。したがって、ターゲット４またはその焦点スポット５において、それぞれ生成されたＸ線のわずかなパーセンテージのみが、Ｘ線光学系６によって収集される。

収集されるＸ線のパーセンテージを高めるために、電子ビーム３は、ここでは一対の帯電電極を備える電子ビーム偏向デバイス１０によって偏向させることができる（それとは別に、またはそれに加えて、電子ビームは、電磁コイルによって生成された磁界によって偏向させることができる）。偏向デバイス１０は、電極において制御電圧を調整することによって（それとは別に、またはそれに加えて、電磁コイルにおいて電流を調整することによって）、電子ビームの伝搬方向ｚに対して垂直な２つの直交する方向ｘ、ｙにおいて電子ビーム３を絶えず偏向（シフト）させることができる。図示される実施形態では、偏向デバイス１０は、電子ビーム源２とは別である。しかしながら、偏向デバイス１０は電子ビーム源２の中に組み込むこともできる。

図１ｂでは、ターゲット４上で焦点スポット５を移動させるために、電子ビーム偏向デバイス１０が起動されている。偏向デバイス１０を適切に調整した後に、すなわち、基本的に負のｙ方向に距離Ｄにわたって焦点スポット５をわずかに移動させるか、または小さな角度αほど電子ビーム３を右に偏向させた後のそれぞれにおいて、焦点スポット５はＸ線光学系６の焦点７と重なり合う。このようにして、焦点スポット５において生成されたＸ線の高いパーセンテージをＸ線光学系６によって収集し、サンプル位置９まで誘導することができる。焦点スポット５の最適な位置は典型的には、Ｘ線光学系６の下流において、例えばサンプル位置で、光子束または光子束密度を最大化することによって見つけられることに留意されたい。

電子ビームの幅およびＸ線ビームの幅は、理解度を高めるために、図中で拡大して示されることに留意されたい。ターゲット４上で焦点スポット５が移動できる典型的な距離Ｄは約２００μｍである。

図１ｃは、図１ａのＸ線装置１の実施形態の１つの変形形態を示すが、偏向デバイス１０に加えて、電子ビーム合焦デバイス１１（ここでは電磁コイルアセンブリを備える）を含む。合焦デバイス１１は、所望により、偏向デバイス１０の中に、および／または電子ビーム源２の中に組み込むことができることに留意されたい。電子ビーム合焦デバイス１１によれば、コイルアセンブリのコイルの中に流れる電流を変更することによって、電子ビーム３の合焦を、すなわち、ターゲット４上の電子ビーム３の幅を変更することができる。この手段によって、焦点スポットの面積を直接調整することができる。

図において、大きく縮小している電子ビーム３の太線は小さな焦点スポット面積Ａａを有する焦点スポット５ａに属するのに対して、わずかにしか縮小されていない電子ビーム３の破線はかなり大きな焦点スポット面積Ａｂを有する焦点スポット５ｂに属する。面積Ａａ、Ａｂはそれぞれ寸法補助線で示されることに留意されたい。典型的には、合焦デバイス１１によって、面積は５倍まで変更することができる。電子ビーム３の合焦を変更することによって、ビーム発散または積分光子束のような、サンプル位置９におけるＸ線ビーム８の幾つかの特性を、電子ビーム出力を変更することなく変更することができる。

図２ａおよび図２ｂは、曲面をなすターゲット４上の焦点スポット５ａ、５ｂの種々の位置に関する、電子ビーム３に対するターゲット４上の焦点スポット５ａ、５ｂを示す。これらの図は、電子ビーム伝搬方向（負のｚ）を含み、ジェット伝搬方向ｘに対して垂直な平面（ｙｚ面）において、ターゲット４を通る断面を示しており、ここでは、ターゲットは曲率半径Ｒでｘ方向に伝搬する円形液体金属ジェットである。この平面において、ターゲット面１２は曲面をなす。電子ビーム３は少なくともこの平面内で、すなわち、ここでは基本的にｙ方向に移動することができる。

図２ａに示されるように、電子ビーム３が、曲面をなすターゲット面１２に対して基本的に垂直に（約８０°の角度βを比較対照として）ターゲット４に突き当たる場合には、ｚ方向における見掛け焦点スポットサイズＳＺはかなり小さく、具体的には、ｙ方向における焦点スポットサイズＳＹよりも小さい。Ｘ線は小さな面積から生じるので、高い光子束密度を達成することができる。一方、図２ｂに示されるように、電子ビーム３が、相対的な平坦な角度（約３５°の角度γを比較対照として）で曲面をなすターゲット面１２に突き当たる場合には、ｚ方向における見掛け焦点スポットサイズＳＺはかなり大きく、具体的には、ｙ方向における焦点スポットサイズＳＹよりも大きい。

図２ａの構成では、すなわち、ｚ方向における焦点スポットサイズＳＺが小さい場合、Ｘ線ビームがｙ方向（すなわち、電子ビーム伝搬方向に対して垂直な方向）において左側に搬送されるとき、Ｘ線の自己吸収はかなり大きい。焦点スポット５ａの右側において生成されたＸ線は、ターゲット４から離れる前に大量のターゲット材料を通り抜けなければならない。対照的に、図２ｂの構成では、すなわち、ｚ方向における焦点スポットサイズＳＺが大きい場合、自己吸収は相対的に弱い。焦点スポット５ｂの右側において生成されたＸ線であっても、ターゲット４から離れる前にわずかな量のターゲット材料しか通り抜ける必要がない。したがって、後者の構成は高い積分光子束をもたらす。

好ましくは、本発明のＸ線装置は、異なる測定間でＸ線ビーム特性を迅速に切り替えるために、図２ａの構成と図２ｂの構成との間で電気的に切替え可能である。

図示される例では、ターゲット４の直径２^＊Ｒは（その広がりはｘおよびｙとの両方で表される）、図示される２つの構成の場合に、ＳＹおよびＳＺの両方のＦ倍よりも大きく、倍率Ｆ＝５である。

図３ａは、本発明のＸ線装置１の一実施形態の一部分を概略的に示しており、電子ビーム源２によって放出された電子ビーム３は、ｘ方向およびｙ方向において電子ビーム３を偏向させるのに適した、電子ビーム偏向デバイス１０（または電子ビームの偏向および合焦を組み合わせたデバイス）を通り抜け、Ｘ線が生成される焦点スポット５において液体金属ジェットターゲット４に突き当たる。

液体金属（例えば、ガリウムからなる）の連続流がポンプ１４によって回路１３を通じて送り出され、ノズル１５を介して漏斗タイプの再生ユニット１６の中に誘導される。ノズル１５と再生ユニット１６との間で、自由金属流がジェットタイプターゲット４を構成する。必要に応じて、回路１３は、回路１３内の金属を加熱および／または冷却する調節ステージを含む（図示せず）。ジェットは典型的には約５０μｍ〜２５０μｍの直径を有するのに対して、電子ビーム径は典型的には１００μｍ以下であることに留意されたい。破線の枠を印されているのは、真空チャンバ１７内に位置すべきＸ線装置１の部品である。具体的には、電子ビーム３は、真空チャンバ１７の内部のみを伝搬すべきである。

図３ｂは、図１ａに示される装置に類似であるが、曲面をなすターゲット４、すなわち、液体金属ジェットターゲット４（例えば、図３ａに示される）を用いる本発明のＸ線装置１の一実施形態を示す。ジェットはｘ方向、すなわち電子ビーム３とＸ線ビーム８とに垂直に伝搬する。電子ビーム偏向デバイス１０（または電子ビームの偏向および合焦を組み合わせたデバイス）によって、電子ビーム３はｘ方向およびｙ方向において偏向させることができる。

図３ｃは、再び液体金属ジェットターゲット４を用い、同じく図１ａに示される装置に類似のＸ線装置１を示す。ここでは、焦点スポット５のサイズは、電子ビーム合焦デバイス１１によって変更することができる。焦点スポットサイズを（ｘ方向および／またはｙ方向において）変更することによって、Ｘ線光学系６の下流のＸ線ビーム８の特性を、特にサンプル位置９において所望の特性を得るために変更することができる。具体的には、本発明によれば、Ｘ線ビーム８の特性は、Ｘ線ビーム８の最大光子束または最大光子束密度を択一的に得ることができるように変更することができる。

図４ａおよび図４ｂは、本発明係る、ここでは液体金属ジェットターゲットであるターゲット４上の電子ビームの焦点スポット５とその広がりの比率とをより詳細に示す。図４ａは、電子ビームが伝搬するｚ方向に対して垂直な正面図を示し、図４ｂは、ジェット伝搬方向ｘに対して垂直な平面内の断面図を示す。

ｘ方向における焦点スポット５のサイズ（または広がり）ＳＸは、ここでは、ｘ方向におけるターゲット４のサイズ（または広がり）ＴＸの５分の１未満である（典型的には、ジェットは、ジェットが伝搬する方向であるｘ方向において数十ｍｍであることに留意されたい）。図示される例では、焦点スポット５のサイズ（または広がり）ＳＹは、ｙ方向におけるターゲット４のサイズ（または広がり）ＴＹの約３分の１である。ｚ方向における焦点スポットのサイズ（または広がり）ＳＺ（ターゲット材料内の電子の伝搬深さから生じる）は、ここでは、ｚ方向におけるターゲット４のサイズ（または広がり）ＴＺの約５分の１である。したがって、全体として見ると、全方向（ｘ、ｙ、ｚ）に関し、焦点スポット５のサイズはターゲット４のサイズの少なくとも約Ｆ分の１以下であり、倍率Ｆ＝３である。本発明によれば、倍率Ｆ＝１．５で十分であるが、倍率Ｆ＝２が好ましく、倍率Ｆ＝５が特に好ましいことに留意されたい。

図４ｃは、楕円形の焦点スポット５を示す。ここでも、サイズＳＸ、ＳＹ（およびＳＺ、図示せず）は、ターゲット４の対応するサイズＴＸ、ＴＹ（およびＴＺ、図示せず）の少なくとも約Ｆ分の１以下であり、倍率Ｆ＝３である。ターゲット４は、ここでは再び液体金属ジェットタイプからなる。楕円形の電子ビームは、ｙ方向に沿って（電子ビームおよび金属ジェット伝搬方向に対して９０°の角度において）視認されるときに、円形の「Ｘ線スポット」（見掛け焦点スポット）を生成することができるので、好ましい選択である場合がある。その際、この方向に向かって、Ｘ線光学系が配置され、円形の断面を有するＸ線ビームを受光する。

図５は、図１ａに示される装置に類似であるが、Ｘ線ビーム８をサンプル位置９に誘導するＸ線光学系６としてキャピラリ光学系が用いられる本発明のＸ線装置１の別の実施形態を示す。キャピラリ光学系は、Ｘ線の全反射が生じる内部表面において、１つまたは複数の中空の曲管（「キャピラリ」）を含むので、Ｘ線はキャピラリ（特には図示されない）によって導波することができる。ターゲット４は液体金属ジェットタイプからなる。

要約すると、本発明は、電子ビームを偏向させることによって、電子ビームの焦点スポットおよびＸ線光学系の焦点を位置合わせし、それにより、Ｘ線装置内のＸ線光学系の機械的な細かい位置合わせを不要にできるようにすることを提案する。さらに、本発明により、ターゲット、具体的には、曲面を有するターゲット上の焦点スポットの形状および位置を制御することによって、Ｘ線光学系の下流において最大化されたＸ線ビーム特性を変更することができる。

１ Ｘ線装置
２ 電子ビーム源
３ 電子ビーム
４ ターゲット
５ 焦点スポット
５ａ 焦点スポット
５ｂ 焦点スポット
６ Ｘ線光学系
６ａ 光学ハウジング
７ 焦点
８ Ｘ線ビーム
９ サンプル位置
１０ 電子ビーム偏向デバイス
１１ 電子ビーム合焦デバイス
１２ ターゲット面
１３ 回路
１４ ポンプ
１５ ノズル
１６ 再生ユニット
１７ 真空チャンバ

Claims (18)

1. 電子ビーム（３）を放出する電子ビーム源（２）と、
   前記電子ビーム（３）が誘導され焦点スポット（５；５ａ、５ｂ）が形成されるターゲット（４）と、
   前記焦点スポット（５；５ａ、５ｂ）から放出されたＸ線を収集し、Ｘ線ビーム（８）を形成するＸ線光学系（６）と、
   前記Ｘ線ビーム（８）が誘導されるサンプル位置（９）と
   を備えるＸ線装置（１）において、
   前記ターゲット（４）上で前記焦点スポット（５；５ａ、５ｂ）を移動させることができる静電的または電磁的電子ビーム偏向デバイス（１０）をさらに備え、
   前記ターゲット（４）が曲率半径Ｒを有する曲面（１２）を有し、０＜Ｒ≦１０ｍｍであり、
   前記電子ビーム偏向デバイス（１０）は、前記曲面（１２）が曲面をなす平面（ｙｚ）において、前記ターゲット（４）上で前記焦点スポット（５；５ａ、５ｂ）を移動させることができ、
   前記Ｘ線光学系（６）は、前記曲面（１２）が曲面をなす前記平面（ｙｚ）内の一の方向（ｙ）において、前記焦点スポット（５；５ａ、５ｂ）から放出された前記Ｘ線を収集するように位置決めされ、
   いずれの方向（ｘ、ｙ、ｚ）においても、前記焦点スポット（５；５ａ、５ｂ）の広がりは、前記ターゲット（４）の広がりの少なくともＦ分の１以下であり、倍率Ｆ＝１．５であることを特徴とする装置（１）。
2. 前記ターゲット（４）は液体金属ジェットターゲット（４）であることを特徴とする請求項１に記載の装置（１）。
3. 前記液体金属ジェットターゲット伝搬方向（ｘ）を横切り、かつ前記電子ビーム（３）の前記伝搬方向（ｚ）を横切る方向（ｙ）において、前記焦点スポット（５；５ａ、５ｂ）の広がりは、前記液体金属ジェットターゲット（４）の広がりの少なくともＦＴ分の１以下であり、倍率ＦＴ＝２であることを特徴とする請求項２に記載の装置（１）。
4. ０＜Ｒ≦１ｍｍであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の装置（１）。
5. 前記焦点スポット（５；５ａ、５ｂ）のスポット面積（Ａａ、Ａｂ）を少なくとも倍率ＦＳほど変更することができる静電的または電磁的電子ビーム合焦デバイス（１１）をさらに備え、ＦＳ＝２であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の装置（１）。
6. 前記電子ビーム合焦デバイス（１１）は、１つまたは複数の電磁コイル、および／あるいは１つまたは複数の帯電電極を備えることを特徴とする請求項５に記載の装置（１）。
7. 前記電子ビーム偏向デバイス（１０）は前記ターゲット上で前記焦点スポット（５；５ａ、５ｂ）を少なくとも距離Ｄほど移動させることができ、ただし、Ｄ＝５０μｍであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の装置（１）。
8. Ｄ＝２００μｍであることを特徴とする請求項７に記載の装置（１）。
9. 前記電子ビーム偏向デバイス（１０）が、前記電子ビーム（３）の伝搬方向（ｚ）に対して垂直な２つの独立した方向（ｘ、ｙ）において前記電子ビーム（３）を偏向させることができ、具体的には、前記２つの独立した方向（ｘ、ｙ）は互いに垂直であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の装置（１）。
10. 前記電子ビーム偏向デバイス（１０）は１つまたは複数の電磁コイル、および／あるいは１つまたは複数の帯電電極を備えることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の装置（１）。
11. 前記Ｘ線光学系（６）は多層ミラー、具体的には、モンテルミラー、ゲーベルミラー、または入射Ｘ線のサジタル方向およびメリジオナル方向の両方に対して曲面をなす単一の反射面を有するミラー、ならびに／またはキャピラリＸ線光学系を含むことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置（１）。
12. 前記倍率Ｆ＝２であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の装置（１）。
13. 前記倍率Ｆ＝５であることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置（１）。
14. 前記Ｘ線光学系（６）は、前記ターゲット（４）に突き当たる前記電子ビーム（３）の伝搬方向（ｚ）に対して基本的に９０°で前記焦点スポット（５；５ａ、５ｂ）から放出されたＸ線を収集するように位置決めされることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置（１）。
15. 請求項１から１４のいずれか１項に記載のＸ線装置（１）を位置合わせする方法であって、前記装置（１）が、
    電子ビーム（３）を放出する電子ビーム源（２）と、
    前記電子ビーム（３）が誘導されて焦点スポット（５；５ａ、５ｂ）が形成されるターゲット（４）と、
    Ｘ線光学系（６）であって、前記Ｘ線光学系（６）の焦点（７）からＸ線を収集するＸ線光学系と
    を備える方法において、
    前記焦点スポット（５；５ａ、５ｂ）を、前記焦点スポット（５；５ａ、５ｂ）が前記Ｘ線光学系（６）の前記焦点（７）と重なり合うまで、電界および／または磁界によって前記電子ビーム（３）を偏向させることにより、前記ターゲット（４）上で移動させることを特徴とする方法。
16. 請求項１から１４のいずれか１項に記載のＸ線装置（１）を位置合わせする方法であって、前記装置（１）が、
    電子ビーム（３）を放出する電子ビーム源（２）と、
    前記電子ビーム（３）が誘導されて焦点スポット（５；５ａ、５ｂ）が形成されるターゲット（４）と、
    Ｘ線光学系（６）であって、前記Ｘ線光学系（６）の焦点（７）からＸ線を収集するＸ線光学系と
    を備える、方法において、
    前記Ｘ線光学系（６）によって形成されたＸ線ビーム（８）の光子束または光子束密度が最大化されるまで、
    電界および／もしくは磁界によって前記電子ビーム（３）を偏向させることにより、前記焦点スポット（５；５ａ、５ｂ）を前記ターゲット（４）上で移動させ、かつ／または電界および／もしくは磁界によって前記電子ビーム（３）の合焦を変更することにより、前記焦点スポット（５；５ａ、５ｂ）のスポット面積（Ａａ、Ａｂ）を変更することを特徴とする方法。
17. 前記装置（１）が２つの動作モード間で切り替えられ、前記動作モードのうちの第１の動作モードでは、前記光子束が最大化され、前記動作モードのうちの第２の動作モードでは、前記光子束密度が最大化されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記装置（１）の前記ターゲット（４）が、曲率半径Ｒを有する曲面（１２）を有するターゲット（４）として選択され、０＜Ｒ≦１ｍｍであることを特徴とする請求項１７に記載の方法。