JP6322628B2 - １ｄ及び２ｄビームを提供するｘ線ビームシステム - Google Patents

Description

本願は一般に、Ｘ線回折又はＸ線散乱システムのための１次元性能及び２次元性能を備えた光学システムに関する。

関連出願の相互参照
本願は、２０１２年６月８日出願の米国仮特許出願第６１／６５７，４４６号の利益を主張する。その内容はすべて参照としてここに組み入れられる。

Ｘ線散乱又は回折システムにとって本質的な性能は典型的に、速度（フラックスに比例）、信号対ノイズ（分光的純度又はバックグラウンド関連特性）及び分解能（試料・検出器間距離で除算された検出器位置におけるビーム直径又はビームの発散として特徴づけられる場合が多い）を特徴とする。一般に、Ｘ線コヒーレント散乱系システムには２つの代表的なタイプが存在する。一方は典型的に粉末回折システムと称され、他方は単結晶回折計と称される。典型的な粉末回折計は、試料に対する大きな強度を目的として線放射源を使用する。典型的な単結晶回折計は、例えばビーム伝播に垂直な双方の方向における低発散のような、必要な空間画定性を目的として点放射源を使用する。現代の回折計は、性能を改善するべく様々な光学素子を使用する。こうした改善には、ビームのコリメート又は合焦によるフラックス増加、改善されたスペクトル純度によるバックグラウンド低減、及び検出器位置に向けてプローブビームを合焦させること又は平行ビームの発散を低減させることによる分解能改善が含まれる。典型的な粉末回折計は、ビームを条件づけるべく１次元光学系を使用する。かかる光学系は通常、ビームをコリメートする放物線円筒鏡の形態又はビームを合焦する楕円円筒鏡の形態をとる。これらの鏡は、反射／回折平面内において楕円輪郭又は放物線輪郭のいずれかに追従し、かつ、反射／回折方向に垂直な方向において直線に追従する。単結晶回折計は通常、ビームを条件づけるべく２次元光学系を使用する。楕円光学系及び放物線光学系は双方とも、２次元光学系の例である。楕円光学系は発散ビームから合焦ビームを形成し、放物線光学系は発散ビームからコリメートビームを形成する。もう一つのタイプの広く適用可能な２次元光学系は、２つの鏡を必須とする。各鏡はＸ線を、Ｘ線伝播に垂直な２つの直交方向の一方に反射、すなわち合焦又はコリメートする。それとともに、光学系システムは２つの直交方向における発散を変え、ひいてはビームを２つの次元に条件づけるという目的を達成する。周知のカークパトリックバエズ（ＫＢ）及びその変形である「並列型」ＫＢシステムはこの原理に従っている。かかるシステムにおいて典型的な鏡は、楕円円筒鏡及び放物線円筒鏡を含む。多層光学系は、高フラックスを捕捉し、かつ、非常に低い分光バックグラウンドを備えたビームを自然に単色化する能力ゆえに、Ｘ線散乱及び回折機器において広く採用されている。

多数の物質の自然形態は、結晶化した構造の粉末形態にある。粉末回折計は、構造、相、組織、応力等のような粉末の特性を迅速に分析するための協力な分析機器である。単結晶回折計は他方では、高度に複雑なタンパク質分子の構造のような複雑化した構造を調査する機器でもある。２つのタイプの回折システムの設計及び特性が大きく異なるので、１次元性能及び２次元性能双方を得るには双方のシステムを所有する必要がある。１次元性能及び２次元性能双方を有する単数機器であれば、いくつかのアプリケーションに対するスループットが改善されてコストも劇的に低減されるだろう。

こうした問題に対処するべく、まずはプローブビームに関連する問題が対処可能である。プローブビームの特性は、回折システムの性質を決定する。さらに、２次元検出器は、基本的機能にとって必須の要素というわけではないが、機器の速度を改善するべく広く採用されている検出要素である。

放射源、光学系、ビーム選択デバイス及び検出器を含むデュアルモードＸ線散乱又は回折システムを作ることができる。放射源はＸ線ビームを放出する。そのＸ線ビームは光学系によって反射され、試料へと向かう２つのビーム又は３つのビームを形成する。ビームの一つは、発散がビーム伝播方向に垂直な２つの直交方向に制御される２次元ビームであり得る。もう一つのビームは、発散が一方向のみに制御される１次元ビームであり得る。このビームは、他方向には制御されず及び／又は依然として発散したままである。第３のビームは、ブラッグブレンターノ構成のための発散ビームである。ビーム選択機構を、ビームを選択するべく放射源及び光学系間又は光学系及び試料間に挿入することができる。検出器は、試料からの散乱又は回折されたＸ線を検出する。選択されたビームはシステムのモードを決定する。すなわち、動作の１次元モード又は２次元モードを与える。システムには、通常は２次元回折計が行う単結晶アプリケーションのために、試料をスピン又は回転させる試料ゴニオメータも装備される。典型的な粉末回折計としてのシステムにはゴニオメータが装備され得る。ゴニオメータの中心まわりに回転可能な一つのアームに検出器が取り付けられ、かつ、やはりゴニオメータまわりに回転可能なもう一つのアームに放射源及び光学系が取り付けられる。これらの運動の自由度により、θ−θ及びθ−２θの走査を１次元モードによって行うことができる。

典型的な２次元ビームは、焦点において狭いスポットを形成する２次元合焦ビーム、及び、伝播ビームに垂直な方向において低発散の２次元コリメートビームを含む。光学系が結晶光学系又は多層光学系のような回折光学系である場合、発散は典型的に、放射源サイズ及び光学系のロッキングカーブ幅によって決定される。

典型的な１次元ビームは、放射源が点放射源であって発散が一方向のみに制御される扇形ビーム、及び、放射源が線放射源であって発散が一方向のみに制御される「線」ビームを含む。１次元ビームは典型的に、試料位置及び検出器位置において、一方向の寸法が他方向の寸法よりもかなり長い「線」外形を有する。その比は少なくとも１：４であり、典型的には１：８以上である。１次元ビームに対し、ビームは、発散が制御される方向に合焦又はコリメートされる。

特許文献１は、２次元ビームを形成する並列型カークパトリックバエズ（ＫＢ）光学系を記載する。ビームは、双方の反射器によって、ビーム伝播方向に対して実質的に垂直な２つの直交方向に反射される。２次元光学系のための作動ゾーンは、Ｘ線エネルギー、面間隔ｄの範囲、及び鏡の長さに応じて最大でも典型的には約数ミリメートル幅の、２つの反射器の結合線沿いの各鏡上の狭いストリップである。

しかしながらデュアルモード光学システムは、２つの１次元鏡を使用して設計することができる。鏡の一方は、１次元反射と、好ましくは並列型構成であるカークパトリックバエズ構成にある他方の鏡と結合されて２次元ビームとの双方を与えるべく十分な幅にする必要がある。光学アセンブリの入口側若しくはアセンブリの出口側又はその双方に２つの開口が取り付けられたアパチャを有することが好ましく、ブレード又はスリットであり得る選択デバイスを、ビームを選択するべく光学システムにさらに組み入れることができる。ブラッグブレンターノ構成のために発散ビームが望ましい場合、アパチャには第３開口が存在する。入口及び出口に取り付けられた単数又は複数のアパチャは、アライメントをかなり容易にとることができる。ビーム選択デバイスのみならずビーム画定アパチャとしても機能するように４ブレードスリットを使用することができる。デュアルモード光学系設計に対して点放射源が使用される場合、例えば、鏡の一方が１次元ビームを反射可能な幅に設計され、かつ、一組のアパチャ（いずれか一方のアパチャが一側に又は２つのアパチャが両端に）が使用されて１次元ビーム及び２次元ビームが形成される。ここで、１次元ビームは扇形ビームである。扇形ビームは一般的に、Ｘ線ＣＴのようなＸ線イメージングのために使用され、ＸＲＤを目的としては使用されていなかった。慎重な分析によれば、扇形ビームもまたＸ線散乱及びＸ線回折に使用することができる。伝統的な１次元ビーム又は線ビームと比べ、付加的な情報損失が存在しない。扇形ビームは２次元ビームよりも高いフラックスを有する。したがって、１次元散乱／回折システムがアプリケーション又は試料にとって適切であれば、１次元モードの動作には高フラックスひいては高速度という長所が存在する。他方、扇形ビーム試料上のフラックスは依然として、伝統的な１次元ビームのものよりも低い可能性がある。伝統的な１次元ビームは放射源が長いため、かなり高い電力負荷を有し得るからである。一例として、銅標的を備えた直径３０μｍの微小焦点放射源が３０Ｗの電力負荷を有する一方、標準的なロングファインフォーカス（ＬＦＦ）線放射源は、４０μｍ×１２ｍｍの放射源投影及び２ｋＷの電力負荷を有する。

デュアルモード光学系が線放射源とともに使用される場合、当該長さに沿った放射源の向きは、単一反射を目的として設計された反射器とのアライメントがとられる。２次元のＸ線ビームを送達するべく他の反射器に対して放射源の任意点に向けてのアライメントをとることもできるが、反射器はデュアルモード動作において使用される場合、線放射源の端に近い点とのアライメントがとられる。

多層光学系のような回折光学系又は結晶光学系のような他の帯域通過光学系を使用することが好ましい。デュアルモード光学系が線放射源と結合される場合、当該線放射源に対して垂直な反射器、例えば２次元ビームのみに寄与する反射器は、異なる波長にあるＸ線放射源の異なる部分からのＸ線を反射して、広くかつエネルギー分散性のビームを形成する。しかしながら他方の反射器は、放射源の方向に沿ってアライメントがとられている限り、光学系が設計目標とする波長に対するブラッグ条件を形成し、ひいてはクリーンなスペクトル及び空間的に明確に画定された２次元ビームを形成する。

デュアルモード光学系が点放射源に結合される場合、一つのビームを通しかつ他のビームをブロックするプレートのように単純であり得るビーム選択機構を、放射源及び光学系間又は光学系及び試料間に位置決めすることができる。デュアルモード光学系が線放射源に結合される場合、ビーム選択機構は、放射源及び光学系間に位置決めされるのが好ましい。そうでなければ、長い放射源から到来して単独で反射されたＸ線が、２次元ビームのアパチャを貫通して２次元ビームを汚染しかねないからである。

２次元ビームのみに寄与する鏡と、２次元ビーム及び１次元ビーム双方に寄与する鏡との角度を設定することにより、特定のビーム位置を備えたデュアルモード光学システムを設計することができる。例えば、２次元ビームの中心を、１次元ビームの中心にすること、すなわち試料位置又は検出器位置のいずれかにすることができる。双方のビームの中心を試料位置の同じ点にすることに利点は、２つの動作モード間で切り替えられたときに試料位置を変更する必要がないことにある。双方のビームの中心を検出器位置の同じスポットにすることに利点は、データが同じ座標を有することにある。

２つのビームの中心が試料位置の同じ点にされていない場合、試料取り扱いが、Ｘ線散乱又は回折システムの注目すべき部分となる。試料取り扱いシステムは、１次元ビーム及び２次元ビーム双方の経路に試料を位置決めできる必要がある。これは、異なる動作モードのための機械的なマーカのような簡単なものでも、又は当該動作モードに関連する異なる位置へと試料を位置決めすることができる並進デバイスでもよい。２次元モードにおいては、スピン又は回転を与える試料ゴニオメータも実装することができる。斜入角ステージ又はずり応力セル及び他の多くのＸ線回折又は散乱用標準アクセサリのような他の試料取り扱いシステムを、当該システムに一体化することもできる。

Ｘ線ＣＣＤカメラ、イメージプレート（ＩＰ）、及び半導体光子計数型画素化検出器のような２次元検出器を使用することが好ましい。半導体光子計数型検出器は、高分解能、超低ノイズ、リアルタイム及び高速計数率という長所を有する。１次元動作モードであっても、２次元検出器は容易なアライメントという長所を提供する。２次元検出器にとっての線ビームと検出器とのアライメントは、データが２次元で収集されて２次元画像からビーム方向を見出すことができるので、１次元検出器にとってほど重要ではない。

線形検出器とも称する１次元検出器は、散乱又は回折システムとしても使用することができる。１次元検出器を使用する場合、２つの問題が生じる。１次元モードに対しては、線ビームは検出器セルとのアライメントがとられる。そうでなければ分解能が劣化する。２次元モードに対しては、１次元検出器の使用は、２次元データを直接取得するのに適していない。一つのソリューションは、検出器の前面でスリットを使用した後、２次元画像を作るべくデータフィールドを走査することである。この走査は、線状に、又は主ビームの中心を回転中心とした角度状に行うことができる。角度状の走査の場合、検出器の前面にあるスリット開口は、例えば極走査のような一定角度の形態であり得る。回折システムの速度は、１次元検出器を使用する場合に劣化する。線形検出器を使用する限られた長所の一つは低コストにある。ただし、走査に必要な運動制御が、２Ｄ検出器及び１Ｄ検出器間のコスト差よりも安価であることを条件とする。

デュアルモードＸ線散乱又は回折システムにより、システムは、１次元モードにおける高フラックスを提供する性能のすべてと、２次元モードにおける２次元性能とを、一つのシステムよりもそれほど高くはないコストで利用することができる。加えて、デュアルモードシステムは、例えば単位面積当たりのフラックスのような、１次元ビームよりも高い２次元ビームのフラックス密度を有する。すなわち、小さな試料に対しては、２次元モードを使用することで高い信号対ノイズ比を得ることができる。システムのいくつかの実施形態はさらに、以下の利点の一以上も有する。点放射源が使用される場合、システムは、最適化された２次元性能を有するがそれでもなお、２次元モードよりも１次元モードにおいてかなりの高フラックスを提供することができる。線放射源が使用される場合、システムは、１次元モードの最適化された性能を提供するがそれでもなお、２次元性能も提供する。デュアルモード散乱／回折システムの例の一つは小角Ｘ線散乱（ＳＡＸＳ）カメラである。デュアルモードＳＡＸＳカメラは、１次元クラツキーシステムの高フラックスという長所と、クラツキーコリメーションシステムと結合された場合の２次元ピンホールカメラの性能とを有する（特許文献２）。多くの未知試料に対し、当該測定に対してどのモードが最適かを迅速にチェック及び決定するべく、２つの動作モードの一方を迅速に試すことができる。ＳＡＸＳカメラは、異方性材料を調査するべくを使用することができ、かつ、高分解能反射率計又は高分解能反射型ＳＡＸＳカメラとして構成することができる。全カメラ長さがピンホールカメラよりもかなり短いので、システムは大きな角度範囲を有する。システムは小角散乱測定から広角散乱測定まで拡張することができる。

粉末回折計に対しては、異なるタイプの１次元ビームを使用する３つの構成が存在する。第１タイプは合焦ビームであって、ガラス又はプラスチックのキャピラリに挿入される粉末に対して使用されるのが一般的である。第２タイプは平行ビームである。平行ビームは、透過性、不規則形状、及び薄膜形態等の試料に対して正確な測定を提供する。平行ビームはまた、さらに単結晶チャンネルカットモノクロメーターに結合された場合、高分解能回折法に適したビームも提供する。第３タイプの入射ビームは発散ビームである。発散ビームを使用する構成はブラッグブレンターノ回折計と称され、粉末回折法において広く使用されている。ブラッグブレンターノ構成では、試料は、回折ビームを焦点円上に向けて合焦させる。この構成は高分解能及び高感度を提供するが、不規則表面形状、試料へのＸ線浸透、及び試料の不正確な位置によって導入される誤差を受けやすい。１次元ビームの開口に対して平行な別個の開口を、試料へのまっすぐなビーム入射を許容するべく導入することができる。まっすぐなビームのための開口を有することにより、光学システムは、３つのビーム、すなわち２次元ビーム、１次元コリメート又は合焦ビーム、及び１次元発散ビームを利用することができる。典型的には、まっすぐなビームすなわち発散ビームのための開口は矩形状の開口であり、１次元ビームのための開口に対して平行に、かつ、線放射源の方向に対して平行に位置決めされる。換言すれば、まっすぐなビームのための開口の位置は、１次元ビームのための開口及び２次元ビームのための開口を貫通する中心線に対して垂直な方向にある１次元ビームのための開口の位置をシフトすることによって得ることができる。ビーム選択機構により、これら３つの中から一つのビームを選択することができる。発散ビームの分光品質を改善するべく、発散ビームのための分光フィルタを使用することができる。一つの光学アセンブリにおいて鏡により条件づけられたビームとともに発散ビームを使用することは特許文献３に開示されている。

米国特許第６，０４１，０９９号明細書 米国特許第８，０９４，７８０号明細書 米国特許第６，８０７，２５１号明細書

Ｘ線コヒーレント散乱及び回折を介して試料を分析するシステムが与えられる。システムは、１次元ビームと２次元ビームとの双方及び可能であれば発散ビームを与える性能を提供するビームサブシステムと、１次元動作モードのための１次元ビーム若しくは２次元動作モードのための２次元ビーム又はブラッグブレンターノ構成のための発散ビームを選択する選択デバイスとを含む。

本明細書に添付されかつ本明細書の一部をなす図面及び特許請求の範囲を参照して以下の説明を検討した後であれば、本発明のさらなる目的、特徴及び利点が当業者にとって容易に明らかとなる。

１次元モードにあるＸ線散乱又は回折システムの模式的な例示である。 ２次元モードにあるＸ線散乱又は回折システムの模式的な例示である。 線放射源を使用するＸ線散乱又は回折のための光学システムの模式的な例示である。 線放射源を使用するＸ線散乱又は回折のための光学システムの模式的な例示である。 点放射源を使用するＸ線散乱又は回折システムのための光学システムの模式的な例示である。 点放射源を使用するＸ線散乱又は回折システムのための光学システムの模式的な例示である。 ここに記載される方法を実装する処理システムの模式的な図である。

このようにして、想定されるプローブビームシステムの一実施形態は、放射源、２つの１次元反射器、及びアパチャを含む。２つの１次元反射器は、１次元ビームを形成するべく設計された第１反射器を含む。第１反射器は、２次元ビームを形成するべく、例えばカークパトリックバエズ構成、好ましくは並列型構成にある第２反射器に結合される。アパチャは、一方が双方の鏡により反射された２次元ビームを目的とし、かつ、一方が一方の鏡のみにより反射された１次元ビームを目的とする２つの開口を有する。加えて、２つのビームの一方を選択するべく、ブレード又はスリットいずれかである選択機構が使用される。発散ビームが必要な場合、アパチャは、１次元反射ビーム、２次元反射ビーム及び発散ビームに対応する３つの開口を有する。ビーム選択デバイスは、３つのビームの一つを選択する。

システムの動作モードに応じて試料を１次元ビームの位置又は２次元ビームの位置へと搬送するべく、試料搬送器を含めることができる。しかしながら光学システムは、１次元ビーム中心が２次元ビーム中心に一致するように設計することもできる。この場合、動作モードの切り替えを目的とする試料の並進は必要なくなる。２次元モードのための試料ゴニオメータもまた、回折計にとって必要となる。試料ゴニオメータは、Ｘ線を回折する結晶格子のブラッグ条件を満たすためのスピン又は回転を与える。

ここで図１を参照すると、デュアルモードＸ線散乱又は回折システムの一例が与えられる。システムは１次元モードにある。Ｘ線散乱又は回折システムは、Ｘ線放射源１１４、光学系１１６、試料１２８及び検出器１３２を含む。Ｘ線放射源１１４は線放射源又は点放射源である。放射源１１４は発散ビームを放出し、その発散ビームが光学系１１６によって受け入れられる。光学系１１６の一部が、ビームを、ビーム伝播に直交する２つの垂直次元に条件づける２次元光学系となる。光学系の一部が、ビームを伝播方向に垂直な一つの次元に条件づける１次元光学系となる。光学系１１６は結晶光学系又は多層光学系である。さらに、光学系１１６は、一部がＫＢ並列型又は直列型光学系であり、１次元光学系と組み合わせられる。ビーム選択デバイス１２２は、放射源が図１に示される線放射源である場合、放射源及び光学系間に存在する。点放射源に対しては、ビーム選択デバイス１２２は、放射源及び光学系間又は光学系及び試料１２８間に存在し得る。ビーム選択デバイス１２２は、ビームの様々な位置を選択するべく制御する。ビームが分割される場合、ビーム選択デバイス１２２は、分割されたビームの一つを選択する。ビーム選択デバイス１２２は、１次元モード又は２次元動作モードを選択するべくアクチュエータによって制御されるシャッター又は可動ビームストップである。並進デバイスは、システム動作モード及びビーム設計に応じて試料１２８を１次元ビーム位置又は２次元ビーム位置まで搬送する。回折Ｘ線は検出器１３２が収集する。検出器１３２は、軸まわりに回転可能なアームに取り付けることができる。放射源及び光学系もまた、同じ軸まわりに回転可能なアームに取り付けることができる。これらの回転自由度により、異なる回折構成、すなわちθ−θ走査及びθ−２θ走査が可能となる。

図２を参照すると、デュアルモード散乱又は回折システムが２次元動作モードにある。ビーム選択デバイス１２２は、１次元ビームを形成するＸ線をブロックし、かつ、２次元ビームを形成するＸ線の貫通を許容するべく位置決めされる。試料ゴニオメータが、回折計が２次元モードで動作する場合に試料１２８をスピン又は回転させる。加えて、試料１２８は、２次元ビームが１次元ビームからずれている場合に２次元ビームの中へ並進させることができる。いくつかの実装においてビームは、１次元ビームと２次元ビームとが試料位置において重なるように条件づけることができる。

ここで図３Ａを参照すると、Ｘ線放射源２１４及び光学系２２０に対し、Ｘ線放射源１１４及び光学系１１６の一つの可能な実施形態が与えられる。放射源２１４は、光学系２２０に向かう線外形を備えたＸ線ビームを放出する線放射源である。放射源２１４からのＸ線ビームは、第１開口及び第２開口を有するアパチャ２３６と相互作用をする。第１開口は、１次元ビームを形成するＸ線を通過させる細長い開口である。第２開口は、例えば正方形孔のような孔である。したがって、放射源２１４からのＸ線ビームは、（線ビームのような）１次元ビーム２３０を形成する第１部分と、（例えば点ビーム又はペンシルビーム若しくは２次元ビームである）２次元ビーム２３２を形成する第２部分とに分割される。１次元ビーム２３０を形成する第１部分と２次元ビーム２３２を形成する第２部分とは光学系２２０によって受け入れられる。光学系２２０は２つの１次元反射器からなる。例えば第２表面２２４である反射器の一方は、例えば光学系２２２の第１表面である他方の反射器の一部とともに２次元光学系を形成する。２次元光学系は、例えば並列型ＫＢ光学系の形態にある。加えて、第１反射器２２２の一部が、デュアルモード光学システムのための１次元光学系として機能する。したがって、放射源２１４とアパチャ２３６とは、１次元ビーム２３０がＫＢ光学系の第１表面２２２と相互作用をする一方で２次元ビーム２３２がＫＢ光学系の第１表面２２２及び第２表面２２４双方と相互作用をするようにアライメントがとられる。したがって、１次元ビーム２３０は第１表面２２２によって、例えば合焦され又はコリメートされるように条件づけされる。同様に、２次元ビーム２３２は、第１表面２２２及び第２表面２２４双方によって伝播方向に直交する２つの垂直次元に条件づけられる。いくつかの実装においてビーム選択デバイスは、光学系と試料との間に位置決めされる。線放射源が使用される場合、ビーム選択デバイスは放射源と光学系との間に位置決めされるのが好ましい。このシナリオでは、ビームはビーム選択デバイスに向けられて、例えば入口アパチャ２３６の中に確立される。出口アパチャ２３８は、１次元ビームのための第１開口２４２及び２次元ビームのための第２開口２４０を含む。１次元ビーム２３０を形成するＸ線及び２次元ビーム２３２を形成するＸ線の一方又は双方を選択的にブロックするべく、プレートの形態にあるビーム選択デバイスを制御することができる。この例では、１次元ビーム２３０が線２４４に合焦されるように示される一方、２次元ビーム２３２が点２４６に合焦されるように示される。したがって、１次元ビーム２３０及び２次元ビーム２３２の一方が選択的にビーム選択デバイスを貫通可能とされ、本願の他の箇所に記載されるように試料と相互作用をする。

図３Ａに示される線放射源の場合、光学系は放射源に対してアライメントがとられ、２つの鏡の一方が線放射源と同一線上に（又は当該放射源と平行に）並びかつ他方の鏡が線放射源に垂直にアライメントがとられるようになる。１次元ビームは、線放射源に対してのみ平行な鏡によって反射されており、多くの粉末回折計が使用する典型的な１次元ビームである。ビームはコリメートビーム又は合焦ビームであり得る。例えば鏡の回折平面に対する垂直方向又は線放射源の方向のような軸方向平面における発散が通常は、光学系出口においてスリットによって画定される。軸方向の発散をさらに画定するべく、ソーラー（Ｓｏｌｌｅｒ）スリットも頻繁に使用される。

２次元ビームは、線放射源を使用して当該線放射源の任意点に対して光学系のアライメントをとることによって形成される。光学系は、１次元ビーム及び２次元ビーム間の広い分離を得るべく、放射源の一端に対してアライメントがとられるのが好ましい。

線放射源を使用するビームシステムは、点放射源を使用するビームシステムよりもかなり高強度の１次元ビームを与える。しかしながら２次元ビームの品質は、点放射源と比べて相対的に低輝度であること及び放射源の大きな一方向寸法ゆえに、点放射源を使用する場合ほど良好とはいえない。ビームフラックスが低くなり、かつ、分光バックグラウンドが高くなる。

一方の鏡が線放射源に対して平行にアライメントがとられ、かつ、他方の鏡が線放射源に対して垂直にアライメントがとられるという事実により、この構成に対する最高の性能が得られる。線放射源に対して垂直な鏡の回折平面では、放射源の大部分によって、異なる波長の線放射源沿いにブラッグ条件を満たすことができる。それゆえ広範囲のスペクトルが反射されるので、一つのみの鏡を考慮した場合、この方向のビーム発散が高くなる。しかしながら、放射源の寸法が他の方向では小さいので、光学系が設計目標とする作動エネルギーのＸ線のみが、線放射源に対して平行な鏡によって反射され得る。したがって、２次元ビームのスペクトルは大部分が、線放射源の放射源幅によって決定される。放射源幅は通常、ファインフォーカス密封管又はロングフォーカス密封管に対して例えば４０ミクロンのように、非常に狭く設計される。

一方が１次元ビームを形成するＸ線用、他方が２次元ビームを形成するＸ線用の２つの開口を備えるアパチャを使用することができる。そうでなければ、まっすぐなビーム及び単独で反射されたビームが出口端においてアパチャを通過してノイズをもたらす。望ましくないビームの部分を閉塞して放射源からのまっすぐなビームをブロックすることでビームをさらに画定するべく、２つの開口を備えたアパチャも、光学系の出口端において使用する必要がある。ビーム選択機構は、アプリケーションに対して２次元ビーム又は１次元ビームいずれかを選択するべく、光学系の前又は後ろにおいて使用することができる。ビーム選択機構は放射源と光学系との間に設置することが好ましい。その結果、２次元ビームが選択された場合、残りの未使用放射源からのまっすぐなビームがビーム選択デバイスによってブロックされる。

代替的に、ビーム画定アパチャ及びビーム選択シャッターの双方として機能するスリットを設計して光学系に適用することもできる。例えば、固定長スリットを備える２ブレードスリットには、光学系出口の前又は後ろにおいて２次元ビーム又は１次元ビームいずれかのためのアパチャを形成する自由度がある。このスリットは、望ましくないビームを閉塞すること、及びビームの一方のみを貫通させること双方の機能を果たすことができる。４ブレードスリットであれば同じ機能を果たすことができる。

ここで図３Ｂを参照すると、光学系２２０の側面図が与えられる。表面２２２は第２表面２２４に対して垂直をなす。さらに、１次元ビーム２３０及び２次元ビーム２３２双方が表面２２２と相互作用をする。１次元ビーム２３０が表面２５２の第１部分と相互作用をする一方、２次元ビーム２３２が表面２５０の第２部分と相互作用をする。表面２５２の第１部分は、表面２５０の第２部分よりも光学系２２０のコーナーから遠くに離れている。加えて、表面２５２の第１部分は、表面２５０の第２部分との重なりを有しない。しかしながら表面２５２の第１部分は、連続する輪郭、及び／又は表面２２２の第２部分２５０としての多層被覆を有する。

ここで図４Ａを参照すると、Ｘ線放射源３１４及び光学系３２０に対し、Ｘ線放射源１１４及び光学系１１６の一つの可能な実施形態が与えられる。放射源３１４は、光学系３２０に向かって一点から拡張するＸ線ビームを放出する点放射源である。したがって、放射源３１４からのＸ線ビームは、１次元ビーム３３０を形成する第１部分と２次元ビーム３３２を形成する第２部分とに分割される。１次元ビーム３３０を形成する第１部分及び２次元ビーム３３２を形成する第２部分は光学系３２０が受け入れる。光学系３２０は２つの１次元反射器を含む。反射器３２４は、例えば並列型ＫＢ光学系の形態にある反射器３２２の一部とともに２次元光学系を形成する。反射器３２２の一部はまた、１次元ビームを形成する１次元光学系としても機能する。したがって、放射源３１４とアパチャ３３６とは、１次元ビーム３３０が光学システムの第１表面３２２と相互作用をする一方で２次元ビーム３３２が光学システムの第１表面３２２及び第２表面３２４双方と相互作用をするようにアライメントがとられる。したがって、１次元ビーム３３０は第１表面３２２によって、例えば合焦され又はコリメートされるように条件づけられた上で出口アパチャ３３８に向けられる。再びであるが、ビーム選択デバイスもまた、アパチャの後ろに位置決めし及び／又は出口アパチャ３３８の中に確立することができる。同様に、２次元ビーム３３２は、伝播方向に垂直な２つの直交方向にある第１表面３２２及び第２表面３２４双方によって条件づけられて出口アパチャへと向けられる。出口アパチャ３３８は、１次元ビーム及び２次元ビームのための第１開口３４２及び第２開口３４０を含む。ビーム選択デバイスは、１次元ビーム３３０及び２次元ビーム３３２の一方又は双方を選択的にブロックするべく制御される。この例では、１次元ビーム３３０が線３４４に合焦されるように示される一方、２次元ビーム３３２が点３４６に合焦されるように示される。したがって、１次元ビーム３３０を形成するＸ線及び２次元ビーム３３２を形成するＸ線の一方が選択的にビーム選択シャッターを貫通可能とされ、本願の他の箇所にすでに記載されたように試料との相互作用をする。

図４Ａに示される点放射源の場合、一つの鏡のみによって反射された１次元ビームは「扇形ビーム」である。点放射源による２次元ビームは、線放射源の場合と比べて高強度を有するので、分光的かつ空間的に良好に画定されたビームとなり得る。１次元ビームすなわち扇形ビームは、例えば長い放射源が引き起こす交差光線が少ないといった、良好な空間的画定性という長所を有する。

ビームソリューションに基づく点放射源は、１次元ビーム及び２次元ビーム双方を提供することができる。光学システムは２つの反射器からなる。光学システムの２次元機能は、一方の反射器と、並列型カークパトリックバエズ光学系スキームにある他方の反射器の一部とによって達成される。光学システムの１次元機能は、２つの反射器の一方の単独反射によって達成される。模式的に示される上側ビームは、鉛直な鏡のみによって反射された１次元ビームである。光学系のコーナーと相互作用をするように模式的に示されるビームは、焦点を形成するべく直交方向にある双方の鏡によって反射された２次元ビームである。２つの開口を有するアパチャがさらにビームを画定する。示されるアパチャは光学系の両側に存在するが、入口側若しくは出口側のいずれか又は双方に存在してもよく、かつ、必ずしも光学系に取り付けられる必要もない。１次元ビーム又は２次元ビームいずれかを選択するべく、ブレード又はスリット（図示せず）のいずれかである選択機構を使用することもできる。

合焦ビームが図に示されている。１次元ビームは鉛直方向に沿って発散し（「扇形ビーム」）、水平面に合焦する。しかしながら２つの鏡は、楕円鏡と放物鏡との任意の組み合わせとすることもできる。１次元ビームは、「合焦扇形ビーム」又は「コリメート扇形ビーム」のいずれかであり得る。２次元ビームは、合焦ビーム若しくはコリメートビーム又は一方向に合焦されかつ他方向にコリメートされたビームのいずれかであり得る。

光学アセンブリの入口側若しくはアセンブリの出口側又はその双方に２つの開口が取り付けられたアパチャを有することが好ましく、ブレード又はスリットであり得る選択デバイスをビームを選択するべく光学システムにさらに組み入れることができる。入口及び出口に取り付けられた単数又は複数のアパチャは、アライメントをかなり容易にしてくれる。アパチャを画定するビームとして機能する固定スリットを備えた２ブレードスリット又は４ブレードスリットを、ビーム選択デバイスと同様に使用することができる。

ここで図４Ｂを参照すると、光学系４２０の図が与えられる。第１表面３２２は第２表面３２４に対して垂直をなす。さらに、１次元ビーム３３０及び２次元ビーム３３２双方が第１表面３２２と相互作用をする。１次元ビーム３３０が表面３５２の第１部分と相互作用をする一方、２次元ビーム３３２が表面３５０の第２部分と相互作用をする。表面３５２の第１部分は、表面３５０の第２部分よりも光学系３２０のコーナーから遠くに離れている。加えて表面３５２の第１部分は表面３５０の第２部分とは重ならない。しかしながら表面３５２の第１部分は、連続する輪郭、及び／又は表面３２２の第２部分３５０としての多層被覆を有するがこれらが必須というわけではない。

加えて、ビーム選択デバイスを１次元動作モード及び２次元動作モード間で動かすアクチュエータを制御するべく、制御器を構成することができる。さらに、制御器に対しては、検出器が受け入れる測定特性に基づいて、例えば散乱パターン又は強度データのような散乱データに基づいて、１次元動作モード及び２次元動作モード間で切り替わるように命令することができる。制御器はまた、制御器が２次元モードに切り替えられたときにビーム伝播軸まわりに又は当該ビーム伝播軸に垂直に試料をスピン又は回転させる電動ステージのような運動デバイスと通信するべく構成することもできる。加えて、制御器は、１次元及び２次元動作モードの選択に基づいて試料を第１及び第２位置間で動かすべく、電動ステージのような運動デバイスを制御することもできる。

記載される制御器、制御回路、モジュール、サーバ又はエンジンのいずれもが、一以上のコンピュータシステム又は集積型制御器に実装することができる。一つの典型的なシステムが図５に与えられる。コンピュータシステム５００は、上述の方法に記載される命令を実行するプロセッサ５１０を含む。命令は、例えばディスクドライブ、ＣＤ若しくはＤＶＤ、又は、ＥＰＲＯＭ若しくはフラッシュのようなプロセッサ内部若しくは外部の何らかの形態の不揮発性メモリのような、メモリ５１２又は格納デバイス５１４のようなコンピュータ可読媒体に格納される。コンピュータは、例えばコンピュータモニタのような表示デバイス５１８上にテキスト又はグラフィック表示を生成するべく命令に応答する表示制御器５１６を含む。加えて、プロセッサ５１０は、例えば他の汎用コンピュータシステムのような他のシステムにデータ又は命令を伝えるべくネットワーク制御器５２０と通信する。ネットワーク制御器５２０は、ローカルエリアネットワーク、ワイドエリアネットワーク、インターネット又は他の一般に使用されるネットワークトポロジを含む様々なネットワークトポロジを介して処理を分散し又は情報へのリモートアクセスを与えるべく、イーサネット（登録商標）又は他の周知のプロトコルを介して通信することができる。

他の実施形態において、特定用途向け集積回路、プログラマブルロジックアレイ及び他のハードウェアデバイスのような専用ハードウェア実装を、ここに記載される方法の一以上を実装するべく構築することができる。様々な実施形態の装置及びシステムを含み得るアプリケーションは、様々な電子システム及びコンピュータシステムを広く含むことができる。ここに記載される一以上の実施形態は、モジュール間で及びモジュールを介して関連する制御信号及びデータ信号による２以上の特定相互接続ハードウェアモジュール若しくはデバイスを使用して、又は特定用途向け集積回路の複数部分として、機能を実装することができる。したがって本システムは、ソフトウェア、ファームウェア及びハードウェアの実装を包含する。

本開示の様々な実施形態によれば、ここに記載される方法は、コンピュータシステム又はプロセッサにより実行可能なソフトウェアプログラムによって実装することができる。さらに、典型的かつ非制限的な実施形態において実装は、分散処理、コンポーネント／オブジェクト分散処理、及び並列処理を含むことができる。代替的に、ここに記載される方法又は機能の一以上を実装するべく、仮想コンピュータシステム処理を構築することもできる。

さらに、ここに記載される方法は、コンピュータ可読媒体において実施することもできる。用語「コンピュータ可読媒体」は、集中型若しくは分散型データベース及び／又は一組以上の命令を格納する関連キャッシュ及びサーバのような単数媒体又は複数媒体を含む。用語「コンピュータ可読媒体」は、プロセッサが実行する一組の命令、又はここに開示される方法若しくは動作の任意の一以上をコンピュータシステムに行わせる一組の命令を格納し、エンコードし若しくは担持することができる任意の媒体を含む。

当業者には容易にわかることだが、上記説明は本願の原理の例示を意味する。この説明は、システムが本願の趣旨から逸脱することなく修正、変形及び変更を受け得るという点で、本開示の範囲又はアプリケーションを限定するものではない。

Claims (19)

1. １次元ビーム及び２次元ビーム双方を与えることができるデュアルモードＸ線のビームシステムであって、
   Ｘ線放射源と、
   ２つの反射型Ｘ線光学系を含む光学システムと
   を含み、
   前記光学システムの２次元部が第１の反射型Ｘ線光学系と第２の反射型Ｘ線光学系の第１部分とによって形成され、
   前記光学システムの１次元部が前記第２の反射型Ｘ線光学系の異なる部分によって形成され、
   前記Ｘ線放射源から放出されたＸ線の第１部分が、前記光学システムの２次元部によって反射されて２次元ビームを形成し、
   前記Ｘ線放射源から放出されたＸ線の第２部分が、前記光学システムの１次元部によって反射されて１次元ビームを形成するビームシステム。
2. 前記ビームシステムの光学システムはさらに、双方の反射型Ｘ線光学系によって反射された２次元ビーム又は一方の反射型Ｘ線光学系のみによって反射された１次元ビームのいずれかを選択するビーム選択機構を含む請求項１のビームシステム。
3. 前記ビーム選択機構は、前記１次元ビーム又は前記２次元ビームのいずれかをブロックするブレードである請求項２のビームシステム。
4. 前記ビーム選択機構はスリットを含み、
   前記スリットのブレードの位置を調整することによって前記１次元ビーム又は前記２次元ビームのいずれかが選択される請求項２のビームシステム。
5. 前記ビーム選択機構は前記Ｘ線放射源及び前記光学システム間に位置決めされる請求項２のビームシステム。
6. 前記ビームシステムの光学システムは、出力ビームをさらに画定する２つの開口を備えたアパチャを有し、
   前記アパチャの第１開口は前記１次元ビームを受け入れるべく構成され、かつ、第２開口は前記２次元ビームを受け入れるべく構成され、
   前記アパチャは、前記光学システムの出口側に取り付けられる請求項１のビームシステム。
7. 前記ビームシステムの光学システムは、入力ビームをさらに画定する２つの開口を備えたアパチャを有し、
   前記アパチャの第１開口は前記１次元ビームを形成するＸ線を受け入れるべく構成され、かつ、第２開口は前記２次元ビームを形成するＸ線を受け入れるべく構成され、
   前記アパチャは前記光学システムの入口側に取り付けられる請求項１のビームシステム。
8. 前記ビームシステムの光学システムは２つのアパチャを含み、
   各アパチャは２つの開口を有し、
   第１開口は前記１次元ビームのために構成されかつ第２開口は前記２次元ビームのために構成され、
   一方のアパチャは前記光学システムの入口側に取り付けられかつ他方のアパチャは前記光学システムの出口側に取り付けられる請求項１のビームシステム。
9. 前記アパチャは、ブラッグブレンターノ構成のための発散ビームを形成するべく前記Ｘ線放射源からのＸ線をまっすぐ通過させる第３開口を有する請求項６、７又は８のビームシステム。
10. 前記Ｘ線放射源は点放射源である請求項１のビームシステム。
11. 前記Ｘ線放射源は線放射源である請求項１のビームシステム。
12. 前記ビームシステムはさらに、前記Ｘ線放射源を、点投影から線投影へ又は前記線投影から前記点投影へ再位置決めするべく構成された位置決めデバイスを含む請求項１のビームシステム。
13. 前記反射型Ｘ線光学系は並列型カークパトリックバエズ構成を形成する請求項１のビームシステム。
14. 前記光学システムの反射型Ｘ線光学系は多層光学系である請求項１のビームシステム。
15. 前記光学システムの反射型Ｘ線光学系は単結晶光学系である請求項１のビームシステム。
16. 前記光学システムの２つの反射型Ｘ線光学系は結晶光学系及び多層光学系の組み合わせである請求項１のビームシステム。
17. 前記光学システムは、前記２次元部と前記１次元部との間の角度が設定されることにより、前記反射型Ｘ線光学系からの一定距離において前記１次元ビームの中心が前記２次元ビームの中心と合うように構成される請求項１のビームシステム。
18. 前記１次元ビームの中心は、試料の位置において前記２次元ビームの中心と合わせられる請求項１７のビームシステム。
19. 前記１次元ビームの中心は、試料からの散乱又は回折されたＸ線を検出する検出器の位置において前記２次元ビームの中心と合わせられる請求項１７のビームシステム。

Images