用于通过x射线束的散射来分析样品的光学设备及相关的准直设备和准直仪 |
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| 申请号 | CN201180021391.X | 申请日 | 2011-04-26 | 公开(公告)号 | CN102971801A | 公开(公告)日 | 2013-03-13 |
| 申请人 | 原子能与替代能源委员会; | 发明人 | 奥利维耶·塔谢; 奥利维耶·斯帕拉; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于 X射线 束的 准直 设备、用于通过X射 线束 的散射来分析样品(105)的光学设备以及用于X射线束的准直仪。该准直设备包括意图在 真空 或受控气氛下的 外壳 (110)，该外壳(110)具有用于射束的入口(120)和出口(121)及由具有衍射周期性结构的材料制成的至少一个板(104)，所述板(104)具有两个主面(104a，104b)和在所述面之间的至少一个加宽的孔(104c)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于X射线束的准直设备，其特征在于其包括意图被放置在真空或受控气氛下的外壳(110)，该外壳(110)包括用于射束的入口(120)和出口(121)以及由具有衍射周期性结构的材料制成的至少一个板(104)，所述板(104)包括两个主面(104a，104b)和在所述面之间加宽的至少一个孔(104c)。 |
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| 说明书全文 | 用于通过x射线束的散射来分析样品的光学设备及相关的准直设备和准直仪 技术领域[0001] 本发明涉及通过x射线散射来分析样品的领域。 [0002] 其尤其涉及用于x射线束的准直设备、包括此准直设备的用于通过x射线散射来分析样品的光学设备和用于此类射束的准直仪。 [0004] 特别地，本发明涉及通过处于小角度的x射线散射来分析样品的领域。表述处于小角度的散射必须理解成意指由被射束横过(垂直入射)以便被分析的样品散射的射线接近于用来将样品照亮的x射线束，相对于射束的光轴一般在0.1°和10°的角度之间。还可以考虑不是垂直于射束定位而是相对于后者处于掠入射的样品的取向。 背景技术[0005] 基于处于小角度的x射线散射的技术还以缩写SAXS为人所知，其表示“小角度x射线散射”(“Small-Angle Scattering of X-rays”，Andr éGuinier and G érard Foumet，ed.John Wiley and Sons Inc.，1955。) [0006] 借助于这些技术，尤其是可以获得关于样品的分子体系的组织的信息。 [0007] 根据分解透视图，在图1中表示用于实现SAXS技术的已知光学设备。 [0008] 该设备包括x射线源10。 [0010] 然而，应注意的是可以使用非单色X射线束。 [0011] 该射束显示出称为“光轴”的优先传播轴。横穿光轴，当使用所谓的“准直”反射镜时，射束显示出准均匀横截面，即当使用所谓的“会聚”反射镜时朝着远点会聚。 [0012] 在两种情况下，在单色器出口处的射束的几何定义不足以执行小角度下的散射实验。表述几何定义意图意指射束的完美几何结构(平行或会聚)与实际上获得的射束之间的真实差异。 [0013] 因此通过具有在单色器之后沿着射束轴定位的一系列障碍的准直而获得射束的更好定义。应将术语“障碍”理解为表示在所采用的波长下对X射线不透明的设备。 [0014] 在图1中所表示的常规设置中，第一“障碍”一般对应于对X射线不透明的四个活动凸缘，表示为12。在垂直于射束轴的平面中具有间距D的两个平行凸缘限定“狭缝”。这样布置的两对凸缘形成孔。准直仪更一般地由两个“孔”形成，其中心必须与离开单色器的射束的光轴对准。 [0015] 采取安装有形成这两个狭缝的两对凸缘的板12的形式的第一障碍因此形成孔。 [0016] 可以将安装有两对“凸缘”的板12集成到反射镜11中。 [0017] 一般地，板12后面跟随已校准衰减器(未标记)。 [0018] 然后，射束指向沿着射束光轴与第一障碍相距某个距离定位的用于准直的第二障碍。此第二障碍也采取包括两对平行凸缘的板13的形式，从而形成两个狭缝，其中心与射束的光轴对准。 [0019] 可以将两个系列的准直“狭缝”之间的光程放置在真空下。有时，作为变体，可以将其放置在氦气氛下。 [0020] 两个准直装置12和13的耦合使得可以限定在样品16的水平处期望获得的射束的尺寸。 [0021] 在第一抽真空外壳14的出口处，射束通过就在要分析的样品16之前沿着光轴放置的第三对狭缝15。这些所谓的“防散射”狭缝严格地说并不形成准直仪的一部分。事实上，防散射狭缝15使得可以消除由准直装置12和13的狭缝产生的虚散射。 [0022] 防散射狭缝15的调整是特别棘手的，因为必须在不触触射束的情况下掠过射束以便在不改变射束尺寸的情况下消除虚散射。 [0023] 射束1与样品16的相互作用引起X射线的散射，此外该射束至少部分地透射过样品。 [0024] 透射射束和散射部分然后聚集在第二抽真空外壳18中，在其末端处是用于停止该射束的装置19。抽真空外壳使得可以在同一个时间限制散射射线另外被空气吸收和同样地射束1被空气进行补充散射。 [0025] 位于用于停止射束1的装置19下游的检测器20然后使得可以检测由样品散射的X射线。 [0026] 最后，应注意安装有准直狭缝(第一障碍)的板12、也安装有准直狭缝(第二障碍)和防散射狭缝15的板13的重要性，没有它，将难以检测被样品散射的X射线，特别是接近于射束光轴的以小角度散射的射线。 [0027] 各种障碍12、13和15的相对位置关于此目的也同样重要。 [0029] 根据剖视图，例如在图2中表示了狭缝水平处的叶片21的布置。按照惯例，此类叶片21显示出约1.5mm的厚度。 [0030] 最近，已经提出在金属叶片上布置单晶结构叶片。在下文中将这些叶片称为混合叶片。 [0031] 应将表述单晶结构叶片理解为意指形成叶片的材料由单个固体材料制成，其显示出以规则方式重复、从而最终形成有序结构的基本网孔单元。 [0032] 根据与图2相同的剖视图，例如在图3中表示了诸如这样的混合叶片，包括金属叶片21和单晶结构叶片22。 [0033] 例如可以引用文献“Scatterless hybrid metal-single crystal slit for small-angle X-ray scattering and high-resolution X-ray diffraction”Youli&al.，J.Appl.Crystallography(2008)、vol.41，pp.1134-1139(D1)。 [0034] 此文献的作者已经显示布置由被仔细切片并胶合到金属叶片上的晶片形成的单晶结构叶片使得可以减少由狭缝产生的X射线散射。 [0035] 应用于上文所述的光学设备，安装有这些叶片的狭缝因此使得可以改善设备的质量。 [0036] 事实上，位于叶片边缘处的单晶结构使X射线以良好定义的角度返回，该角度取决于此结构的结晶面。这些角度大到足以不与射束合并。 [0037] 当将混合狭缝安装在图1中所表示的光学设备中时，其使得可以在不产生虚散射的情况下使射束准直。 [0038] 由Youli&al.提出的狭缝因此使得可以简化光学设备且因此简化其调整。 [0039] 然而，混合狭缝显示出比具有金属叶片的狭缝更复杂的结构。 [0040] 因此，叶片的移位也更复杂，特备是如果要求将狭缝安装在真空下或诸如氦(He)的受控气氛中的话。 [0041] 此外，Youli&al.所采用的制造方法(即从晶片的叶片切片)产生可能导致虚散射的单晶结构叶片的表面状态，：这样将失去混合狭缝的益处。 发明内容[0042] 本发明的目的是提出一种包括用于对X射线束进行准直的至少一个设备的简化光学设备，其显示出混合狭缝的优点而未显示出其缺点中的至少一个。 [0043] 本发明的另一目的是提出一种用于X射线束、特别是适合于在此光学设备中实现的准直设备。 [0044] 目的还是提出一种X射线束的、特别是适合于在此准直设备中使用的准直仪。 [0045] 为了实现这些目的中的至少一个，本发明提出了一种用于X射线束的准直设备，其特征在于其包括意图被放置在真空或受控气氛下的外壳，该外壳包括用于射束的入口和出口以及由具有衍射周期性结构的材料制成的至少一个板，所述板包括两个主面和在所述面之间加宽的至少一个孔。 [0046] 该准直设备将能够单独地或以组合方式提供其他技术特性： [0047] —参考射束的传播方向，所述至少一个板的主面中的一个是上游面，并且另一是下游面，所述孔从板的上游面至下游面加宽； [0048] —由具有衍射周期性结构的材料制成的所述至少一个板被布置在外壳的出口水平处； [0049] —在外壳的入口水平处提供了由具有衍射周期性结构的材料制成的至少一个其他板，此其他板包括两个主面和在所述面之间加宽的至少一个孔； [0050] —参考射束的传播方向，所述至少一个其他板的主面中的一个是上游面，另一个是下游面，所述孔从板的上游面至下游面加宽； [0051] —两个板是相同的； [0052] —两个板显示出不同的孔； [0053] —在孔的加宽的方向D与所述主面中的一个之间形成的锐角θ在10°和80°之间； [0054] —角θ等于在形成板的衍射周期性结构的材料的两个结晶面之间的角； [0055] —板的主面对应于单晶材料的{100}平面且连接此板的所述主面的孔的面对应于{111}平面； [0056] —该或每个板由单晶材料制成； [0058] 本发明还提出了一种用于通过X射线束的散射来分析样品的光学设备，其特征在于其包括根据本发明的用于使射束准直的设备。 [0059] 该光学设备将能够单独地或以组合方式提供其他技术特性： [0060] —X射线源； [0061] —该X射线源产生单色射束； [0062] —意图放置在真空或受控气氛下的另一外壳，此另一外壳被布置在样品的下游，包括用于停止X射线束的装置； [0063] —检测器，其布置在所述另一外壳的下游。 [0064] 本发明还提出了一种用于X射线束的准直仪，其特征在于其包括多个部分，由具有衍射周期性结构的材料制成的每个部分包括在此部分的厚度中加宽的至少一个孔，孔的面由沿着此孔的纵轴形成锯齿结构的准直仪的每个部分的孔的组件形成。 [0065] 该准直仪将能够单独地或以组合方式提供其他技术特性： [0066] —其部分中的每一个由板形成，该板是毗邻的； [0067] —板是相同的。 [0068] 最后，本发明提出了由具有衍射周期性结构的材料制成的至少一个板作为用于X射线束的准直仪的使用，所述板包括两个主面和在所述面之间加宽的至少一个孔。 [0069] 此使用还将能够提供： [0070] —其中在孔的加宽的方向D与所述主面中的一个之间形成的锐角θ在10°和80°之间的使用； [0072] 在参考下图给出的在下文详述的描述中将说明本发明的其他特性、目的和优点： [0073] —图4表示根据本发明的光学设备的分解透视图； [0074] —图5表示在图4中表示的外壳的剖视图，此外壳在其每个末端处包括由依照本发明安装有孔的单晶结构的材料制成的板； [0075] —图6表示在此外壳的下游末端水平处的在图5中表示的外壳的放大剖视图； [0076] —图7包括图7(a)和7(b)，依照本发明，分别根据透视图和剖视图，其表示由安装有孔的单晶结构的材料制成的板； [0077] —图8包括图8(a)和8(b)，图8(a)表示意图安装在图4的设备中的外壳的部分剖视图，此外壳在其末端水平处包括根据本发明的准直仪，并且图8(b)表示此准直仪的放大图。 具体实施方式[0078] 在图4中表示了根据本发明的用于通过X射线散射来分析样品105的光学设备100。 [0079] 此光学设备100包括X射线的源101、102，其产生单色射束。此源101、102以已知方式包括X射线的实际源101和单色器反射镜102。 [0080] 在这种情况下，X射线的实际源101是点源，但其另外可以是例如线源。此外，依照上文提供的定义，源101、102不需要是单色的。 [0081] 遍及以下描述，将参考X射线束的传播方向来使用术语“上游”和“下游”。 [0082] 在X射线的源101、102的下游，该设备包括意图被抽真空或处于诸如氦(He)的受控气氛下的第一外壳110。 [0083] 此第一外壳110包括用于射束的入口和出口，根据本发明，在其中的每一个水平处布置有由显示出衍射周期性结构的材料制成的至少一个板104、104′。 [0084] 一般地，此衍射周期性结构将是单晶结构。 [0085] 优选地在外壳110的内部抵靠着外壳110的端壁120、121安装这些板104、104′。因此这些板104、104′的定位是容易的。此外，这些壁120、121分别形成用于X射线束的入口和用于所述射束的出口。 [0086] 在图5中的剖视图中表示了此外壳110。此外，在图7中表示了根据本发明的由衍射周期性结构的材料制成的板104。 [0087] 每个板104、104′包括两个主面，更确切地是上游面104a、104′和下游面104b、104′b以及在所考虑的板的上游面和下游面之间向外加宽的孔104c、104′c。 [0088] 如在附图中所表示的，板104、104′是以参考射束的传播方向、孔104c、104′c从上游至下游加宽的方式布置的。 [0089] 然而，可以沿着相反的方向布置相同的板104、104′，也就是说，使得孔104c、104′c参考射束的传播方向从上游向下游变窄。 [0090] 板的薄化避免了以小角度(即以掠入射)传播的射束的X射线的反射。 [0091] 此外，在孔的向外加宽的方向D与板的上游或下游面中的任何一个之间形成的锐角θ可以在10°和80°之间。例如在图6中表示了角θ。 [0092] 特别地，角θ可以等于形成板104的材料的结晶面{100}和{111}之间的角。当用于制造板的方法的化学性质是湿法各向异性蚀刻时，可以获得此特性。事实上，用这种方法，材料的化学侵蚀在{100}和{111}结晶面之间进行。所获得的表面状态因此具有非常好的质量。 [0095] 此外，可以将孔104c、104′c的向外加宽称为是均匀的。应将表述均匀加宽理解为意指孔在板的上游面与下游面之间经历的尺寸变化根据相似扩大(homothety)而进行。中心O对应于通过分别在板的上游和下游面的水平处的孔的中心C1、C2的轴A与上文所述的方向D的轴的交点。将可以参考图7(a)。 [0096] 优选地，由衍射周期性结构的材料制成的板104的上游面104a、104′a或下游面104b、104′b对应于此结构的{100}平面。相对于上游和下游面倾斜的板的面则对应于该结构的{111}平面。 [0097] 作为变体，可以采用机械方法来定义在上文所述范围内的角。 [0098] 通过这样布置两个板，一个104′在外壳110的入口处，另一个104在外壳110的出口处，然后获得X射线准直仪。 [0099] 根据在图1中表示的现有技术，可以将板104′部分地插入来代替设备的具有狭缝12的板，从而在不产生虚散射的情况下使射束准直。板104则避免了准直射束上的任何虚散射，并且还可以在射束撞击样品105之前改善准直。 [0100] 板104、104′因此显示出与在文献D1中提出的混合狭缝相同的功能。 [0101] 在样品105的下游，光学设备100包括在图1中表示的光学设备的已知装置。这要求第二外壳106也意图在真空下(或在受控气氛下)，在从外壳106中的射束入口的其相对末端处包括用于使射束停止的装置107。 [0102] 最后，光学设备100包括布置在第二外壳106的下游的检测器108。 [0103] 分别布置在第一外壳110的入口和出口处的板104′、104可以是相同的。 [0104] 此外，板104、104′可以由硅制成，如果例如已使用KOH的溶液，则在{100}和{111}结晶面之间的角θ则为约54.7°。然后由结晶面来定义孔的形状。 [0105] 在这里，板104、104′的孔可以是正方形或矩形的，并且上游面和下游面之间的加宽是由角θ给定的。例如，当此孔是正方形时，在板104、104′的上游面104a、104′a的水平处，其侧边可以是1mm。 [0106] 可以设想孔的其他形状。例如可以参考文章“A flux and Background-optimized version of the NanoSTAR small-angle X-ray scattering camera for solution scattering”，Jan Skov Pedersen，J.of Applied Crystallography(2004)，37，pp.369-380。 [0107] 板104、104′可以显示出约10mm*10mm的尺寸和约1-2mm的厚度。 [0108] 作为变体，其可以是不同的，尤其是因为其孔104c、104c′是不同的。事实上，这些板的孔104c、104c′可以由其尺寸和/或角θ的值而不同。 [0109] 同样作为变体，每个板104、104′可以由除硅之外的衍射周期性结构的材料制成，在这种情况下为单晶的。例如，其可以涉及类似于锗的单晶结构。 [0110] 在图4中表示的光学设备可以形成变体实施例的主题。 [0111] 变体实施例可以在于用根据本发明的板104来替换由在图1中表示的根据现有技术的光学设备的准直装置13和防散射狭缝15形成的组件。 [0112] 此板104然后被布置在意图在真空下(或在受控气氛下)的外壳的出口处，如在图6中所表示的，从而形成用于使X射线准直的设备。另一方面，此外壳在其入口的水平处不包括根据本发明的板，但是此入口前面是狭缝12，并且如果适当的话，有如在图1中所示的已校准衰减器(未标记)。 [0113] 在图7或8中表示了本发明的另一变体实施例。 [0114] 根据此变体，提供了一种X射线束的准直仪，其包括相互毗邻的由单晶材料制成的多个板，以便每个板的所述至少一个孔在板的上游面和下游面之间加宽或相反(变窄)。 [0115] 这些毗邻板一般将是相同的。 [0116] 此布置的益处是限制或事实上消除孔的轮廓水平处的射束200通过单晶材料的透射。 [0117] 事实上，当提供了单个板时，应理解的是在此孔的轮廓水平处，射束200所遇到的板厚度ef是小的。通过使多个板毗邻，因此增加了在孔的此轮廓水平处的射束200最终遇到的板厚度，其沿着孔的纵轴显示出锯齿形状。 [0118] 通过在板的上游侧仅使射束透射通过孔所留下的空间E，从而改善了射束200的准直。 [0119] 如果板是由硅制成的，则这是特别有益的。当板由锗(其是比硅更稠密的材料)制成时，此布置将针对从15keV至30keV的X射线的能量范围展现特别的益处。 [0121] 申请人已经执行了测量并执行了几次计算。 [0122] 已发现对于8keV的X射线束而言，每个约1-2mm厚的三个相同硅板的叠加等价于使用相同厚度的锗板。对于17keV的X射线束而言，则必须使这些相同硅板中的十五个毗邻以获得等价于相同厚度的锗板的性质。 [0123] 可以在图5中所表示的外壳110的每个末端处设想板的毗邻。这还可以单独地在此外壳110的入口处或单独地在出口处设想板的毗邻，特别是如果此出口单独地包括依照本发明的板104的话。 [0124] 替换地，可以提供不包括毗邻板、而是由单块制成的准直仪，可以将所述单块的各种部分1041、1042、1043、1044、1045中的每一个视为诸如上文所述的板104。因此，由准直仪的每个部分的孔的组件形成的孔105的面沿着此孔104C的纵轴A104形成锯齿结构。例如在图8中表示的此孔104C的形状因此类似于通过使多个板104毗邻所获得的形状，如在图7中所表示的。 [0125] 在本发明的架构内所使用的板104、104′相对于诸如在文献D1中提出的混合狭缝而言最终呈现出多个优点。实施上，该结构是简单的，由单晶制成。此外，此板通常将被固定于在真空下或在受控气氛下的外壳的末端处，使得将不要求操作者执行调整：唯一的调整是板的初始定位。此外，一般所采用的化学的制造方法产生优良的表面状态，这限制了虚散射的风险。 |
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