技术领域
[0001] 本
发明涉及一种硬
X射线光电子能谱(HAXPES)系统中的设备，该设备具有配置为提供
光子的单色微聚焦X射线源。HAXPES是对于此实验技术已确立的首字母缩写，其使用光子
能量高于2keV的X射线来激发光电子。分析所激发的光电子以研究例如与其化学环境和材料的电子结构相关的性质。
背景技术
[0002] 迄今为止，用于不同科学和工业目的的大多数HAXPES实验是在位于全世界同步
加速器的大约仅20个现有束线上进行的。全世界的这些少数
同步加速器是非常大规模的设施，并且属于国家实验室。可用束线和相关仪器的数量少、操作其的显著成本以及相关的
访问限制已经限制了HAXPES技术的输出和开发工作量。HAXPES限于同步加速器的主要原因是随着X射线能量的增加，光致电离横截面急剧减小。为了抵消光致电离的所述减小，与相对而言具有非常大的接收
角的高效光电子分析器相结合的最高可能的X射线强度是必需的。
[0003] 虽然HAXPES也受到某些限制的折磨，但是正如所有其他实验技术一样，仍然存在强烈的动机来追求这种技术，包括研究松散材料、埋层和界面以及样品而不需要任何表面制备的能
力。这些测量通过信息深度随着光子能量的增加而增加来实现。
[0004] 前面提到的缺乏对与大量潜在应用相结合的HAXPES设施的广泛访问是开发本文描述的基于实验室的HAXPES系统的强烈动机。到目前为止，实验室系统的发展已经受到阻碍，特别是受到高强度、单色X射线源和大角度、高能量分析器的有限可用性的阻碍。因此，迄今为止仅开发了非常少量的系统，并且其具有明显更低的5.4keV(Cr Kα)的最大光子能量。
[0005] 除了高得多的光子能量之外，根据本发明的基于实验室的HAXPES系统还包括三个独立的
真空室：1)容纳单色晶体的单色仪室，2)容纳电子枪和液态镓射流的
X射线管，以及3)容纳光电子能量分析器和快速进入负载
锁的分析室，待分析样品在该分析室中被引入真空系统中。
[0006] 由于三个独立真空室中的真空系统的需求是不同的，所以理论上优选地是将其分开。然而，这种真空室的分离不可避免地导致X射线
辐射泄漏的
风险增加，如果不能适当控制，这种泄漏可能是有害的。此外，真空系统的分离必须仍然允许组成部件相对于彼此的运动，因为高光子能量对部件
位置的
精度提出了严格的要求，以满足单色仪晶体所需的衍射条件。组成部件相对于彼此的运动的这种要求甚至进一步加重了辐射泄漏的风险，如上所述，辐射泄漏在某些
水平上可能是潜在有害的。
[0007] 真空系统的不同需求主要由不同真空水平提供的清洁度引起。在样品环境中，需要超高真空水平来保持样品清洁，而在单色仪室中，保持高真空水平便足以避免残余气体吸收X射线。在X射线管中，为了电子枪的安全操作，高真空水平也是必需的，电子枪产生撞击液体Ga的电子，从而产生X射线。还需要分离X射线管以避免在其他真空系统中的Ga污染。同样重要的是，能够优化X射线管相对于单色仪晶体的位置，以及能够相对于分析室和电子分析器与X射线管一致地移动单色仪。
[0008] 如最初提到的，在本文描述的基于实验室的HAXPES系统之前，已经使用同步加速器
光源来产生用于在相同的高激发能量下进行光电子能谱实验的X射线。这种实验通常放置在单独的房间中，由于有害的辐射水平，在实验期间不能接近。因此，实验控制通常是远程进行的。通常使用这些高激发能量的其他类型的设备是X射线衍射仪。此类型的实验通常封闭在容纳所有仪器的机柜中，并且通过其尺寸和厚度形成实际的
辐射防护。
[0009] 对于紧凑的基于实验室的系统，用于保护免受辐射泄漏的庞大且昂贵的设备以及因此HAXPES系统的复杂操作是不可行的。所有运动都必须是机动化的，并且必须安装几个摄像头以能够控制和优化系统而无需手持访问。对允许的运动有许多限制，并且如果部件的运动是机动化的，则将产生相当复杂的
电机和限位
开关的系统；从而使得使用其不实际，并且考虑到HAXPES系统中提供的多达12个
自由度，很可能是非常昂贵的。由于高激发能量和X射线光学器件中所需的高精度水平的组合，直接的手到眼的相关性是必须考虑的，以正确地设置光学器件并在最大辐射通量下实现正确的能量
分辨率。
[0010] 因此，需要解决HAXPES系统设计中与真空室的相对移动、操作简单、光学设备的精确设置、可接近性和空间要求相关的困难。最后，最重要的是，该系统需要完全符合适用的安全规则以避免辐射泄漏，因为
硬X射线光电子能谱法利用高光子能量的X射线来激发来自所研究样品的光电子。
[0011] 本
申请利用激发镓的电子枪在70kV下运行，这也产生容易穿透大多数材料的危险辐射。用于HAXPES的
现有技术系统已经以显著较低的能量运行，因此辐射已经不是主要问题。在用于基于Cr Kα的高达30kV的激发能量下，仅几毫米的
钢将阻挡辐射。然而，为了阻挡由70kV电子产生的辐射，需要厘米而不是毫米厚度级上的钢。
发明内容
[0012] 本发明的目的是解决与目前存在的实验技术和相关设备相关的至少一些所述问题和障碍。
[0013] 此目的通过硬X射线光电子能谱(HAXPES)系统，特别是基于实验室的系统来实现，该系统包括：
[0014] X射线管，其提供光子束，光子束经由X射线单色仪被引导通过系统以从所照射样品激发电子，
[0015] X射线管连接到单色仪真空室，在该单色仪真空室中，晶体配置为单色化光子束并将光子束聚焦于样品上，
[0016] 单色仪真空室经由柔性真空
波纹管连接到分析真空室，真空波纹管固定到这两个真空室，波纹管的柔性允许单色化且聚焦的光子束的精确对准，
[0017] 所照射样品安装在操纵器上，该操纵器可在至少一个方向上移动以允许在分析真空室内以不同的样品角度进行测量，
[0018] 分析真空室连接到电子能量分析器，该电子能量分析器安装在分析真空室上，[0019] 其中，
[0020] 在X射线源和单色仪真空室之间设置间隙，该间隙设置有第一辐射阱，以在用来自X射线管的X射线照射该间隙时屏蔽周围环境免受辐射。
[0021] 第一辐射阱组件的设计有效地防止了X射线辐射泄漏，同时允许X射线管和单色仪真空室之间的相对运动的最大灵活性。第一运动的一个主要目的是在通量和分辨能力方面优化单色仪的性能，该第一运动是第一辐射阱组件的设计所允许的。
[0022] 根据第二实施方式，柔性真空波纹管设计为允许单色和聚焦的光子束的精确对准，柔性真空波纹管设置有第二辐射阱组件，以当柔性真空波纹管本身被来自X射线管的X射线照射时屏蔽周围环境免受辐射。更详细地，第二辐射阱组件的设计所允许的第二运动主要用于优化单色X射线相对于电子能量分析器的位置。对部件相对于彼此运动的要求意味着允许X射线穿过系统的两个分离部件之间的气隙，或者允许X射线穿过其中存在真空的柔性波纹管。
[0023] 上述两个实施方式可以组合，即，通过在一个系统中使用第一辐射阱组件和第二辐射阱组件。然而，作为替代，系统可设计为利用第一辐射阱组件和第二辐射阱组件中的任一个。
[0024] 由于X射线管的高激发
电压和与其相关的辐射穿透能力，真空室的分离造成了严重的问题。这是由于当高能X射线穿过时，由初级辐射场或次级辐射场撞击的任何材料本身用作辐射源，像空气本身也将用作辐射源一样。如上所述，人将受到的辐射
剂量率会容易超过由辐射当局设置的安全水平，即可能对人有害。本发明的优点还在于提供了有效保护，通过该保护，可适当地控制和避免随之发生的和有害的X射线辐射泄漏，同时有助于精确和可靠的测量和实验的良好条件。
[0025] 更详细地，本发明提供紧凑的辐射阱，其屏蔽周围环境免受当用来自X射线管的高能X射线照射气隙和/或真空波纹管或围绕其的材料时产生的辐射。同时，辐射阱允许连接部件的期望的相对运动。为了将初级场减小到小于有害水平，辐射阱设计为使得由三元辐射场照射的部分在观察辐射阱的观察者的视线之外。
[0026] 根据本发明的基于实验室的HAXPES系统设置有单色的微聚焦的Ga KαX射线源，其提供9.25keV的光子能量。此X射线源的能量水平将其与本技术领域已知的所有其他类似系统区分开。此外，本发明还涉及一种基于实验室的HAXPES系统的改进设计和新的应用领域，该系统利用具有9.25keV的激发能量的高能单色GaX射线源。大功率X射线管与高效且稳定的单色仪及具有宽接收角的电子能量分析器的组合导致了优异的性能。本文描述的
光谱仪的基本特征是以465meV的最小能量分辨率提供测量结果的能力。从科学相关的样品(包括散装和
异质结构样品的测量)获得的数据显示，可在能量分辨率和强度方面收集高
质量数据。根据本发明的HAXPES系统还输送利用先前仅在同步加速器处可接近的硬X射线能量源收集的数据。来自此系统的结果能够产生独立的、完整的数据集，以及支持其他实验，例如通过实验室中的初步实验的能量相关同步加速器工作。实际上，这意味着改进的系统将是通用的，并且可竖直和水平应用，并且在当前和未来相关的几个科学领域中具有重要意义。
附图说明
[0027] 图1是基于实验室的HAXPES系统的
正面概览图。
[0028] 图2示出了图1的系统，但是此概览透视图是从顶部看的，从该顶部可看到X射线管和单色仪室之间的气隙。
[0029] 图3是穿过辐射阱组件的水平截面的剖视图，其中，第一辐射阱部件、第二辐射阱部件和第三辐射阱部件以及气隙是可见的。
[0030] 图4是辐射阱组件的径向透视图的剖视图，其中，示出了增加的凹槽，凹槽旨在防止当两个平面相遇时的辐射泄漏。
[0031] 图5是沿着
粒子束的光轴的剖视图，其中，辐射壁组件的第一部件、第二部件和第三部件以及中间气隙是可见的。
[0032] 图6是本发明第二实施方式的剖视图，其中，辐射阱设计为防止从边缘
焊接的柔性真空波纹管泄漏。
具体实施方式
[0033] 图1和图2分别示出了基于实验室的HAXPES系统
原型的正面概览图和顶侧概览图，该系统放置在
基座100上。一些特征从正面视角看是最佳的，一些特征从顶部视角看是最佳的。所示特征包括
泵送系统2，其连接到控制系统、辐射安全系统和用于在X射线源10的三维中进行调节的
工作台8。X射线源照射X射线单色仪20，将单色X射
线束从单色仪20引导到样品上，将样品经由负载锁30引入到真空系统中。操纵器35具有XYZ轴和±180°旋转，并且优选地还具有加
热能力，并且提供相机系统40以用于精确的定向和样品导航。上述部件连接到分析真空室45，样品在分析期间位于分析真空室45中。提供一种电子分析器，优选地为半球形电子能量分析器类型。为了匹配X射线源的能量分辨率并收集尽可能多的光电
信号，具有非常大的接收角的半球形电子分析器将是优选的解决方案。然而，不能排除其他类型的分析器，例如扇形半球、圆柱镜分析器和减速场分析器，即使能量分辨率对于那些目的很可能是不足的。
[0034] 特别参考图2，示出了如图1中的系统，但是从顶视图中绘制，从该视图可看到X射线管和单色仪室之间的气隙的位置。
[0035] 根据本发明的基于实验室的HAXPES系统由三个独立的真空室组成：X射线管、单色仪室和分析室，其中一些在上面已经简要讨论。半球形电子能量分析器附接到分析室，优选地使其入口缝定向在水平面中。X射线管连接到单色仪室，单色仪室又连接到分析室。通过可编程逻辑
控制器(PLC)
用户界面控制基本系统参数，该用户界面允许调节真空系统、安全互锁装置、
烘烤设置和单色仪晶体
温度中的至少一个。
[0036] 真空系统和负载锁的设计的更详细的概览图示出了真空系统包括三个位于负载锁、分析室和单色仪室上的单独的
涡轮泵。负载锁和单色仪室可具有80Ls-1
涡轮泵(Pfeiffer HiPace 80)，并且分析器室具有300Ls-1涡轮泵(Pfeiffer HiPace 300)。涡轮泵可全部共用一个6.2m3h-1无油
前级泵(Edwards nXDS6i)，并且可由自动
阀分开。通过整个真空系统(包括泵、阀和计量器)的PLC控制，可实现此有效配置。另外，分析室可容纳
钛升华泵(VACGEN ST22)。
[0037] 负载锁具有＜1×10-7mbar的标准传递压力，通过以上例证真空系统结构，该压力通常将在30分钟内达到。负载锁安装有线性磁耦合的传送臂，其用于将样品从负载锁传送到分析真空室中。其还具有多样品储存保持器，该储存保持器可承载多达5个安装在Omicron旗型样品板上的样品，这是本领域科学家所众所周知的。
[0038] 分析真空室由镍
铁高导磁
合金制成，并且具有＜5×10-10mbar的
基础压力。样品可从负载锁转移到分析室的4轴操纵器(VACGEN Omniax 200)上。操纵器的旋转运动允许以不同的
采样角度进行测量，包括掠入射几何形状。半球形电子能量分析器(Scinta Omicron EW4000)水平安装在分析室上，入口缝水平对齐。
[0039] 单色仪室通过柔性波纹管94连接到分析室，允许单色X射线的精确对准。Kapton窗68、96将单色仪的真空体积与分析室分开。分析室安装有用于其他设备的额外端口，包括但不限于电荷中和器、溅射枪(例如，
气体团簇离子束源)和附加的X射线管(例如，单色Al Kα)。
[0040] 可想到，用于提供X射线辐射的X射线管是Excillum MetalJet-D2+70kV，其基于Ga金属射流
阳极。Ga在封闭的金属射流回路中再循环，并且由用电子枪(70kV)产生的具有80×20μm2斑点尺寸和250W强度的电子束撞击。然后，使X射线单色化，并通过具有300-700mm范围内、优选地550mm的罗兰圆的弯曲Si晶体聚焦到样品上。晶体保持在恒定的高温下，以提供最佳性能，包括较高的光谱分辨率和强度，以及长期
稳定性。
[0041] 将整个装置安装在光学台上并且可在光学台上预对准，该光学台有利地在x、y和z上是完全可调节的。这种移动自由度对于相对于分析器的视场精确地对准X射线斑点是必需的。
[0042] 在此实验装置中使用的上述Scientia Omicron EW4000半球形电子能量分析器具有12keV的最大可测量
动能。其具有60°的较大接收角，提供较高的测量强度。半球具有200mm的半径和40mm的工作距离。通过能量可在从2到1000eV的较宽范围内获得，通常使用
10-500eV的能量。半球的入口缝相对于样品上的X射线
覆盖区是水平的，提供最大强度。分析器还可配备有九个尺寸从0.1mm到4mm变化的直的入口缝。2D检测器装置由多通道板(MCP)、
荧光屏和CCD相机组成。检测器同时覆盖9.1％的通过能量。
[0043] 所有上述部件、设置和实验配置都是可想到能够使用的，并且即使已经证明其在实践中起作用，其也只是作为实例给出。应理解，其没有一个需要固定，并且在没有不利地影响本发明系统或其功能的情况下，可能调节或替换部件和设置。
[0044] 关于能量分辨率、X射线斑点尺寸相对于强度、X射线功率相对于强度和稳定性的系统性能已经显示出是不令人满意的。对于系统性能和科学应用的概述的更深入的讨论，进一步参考Regoutz等人，Review of Scientific Instruments，89，073105(2018)。
[0045] 图3是穿过辐射阱组件的水平截面的剖视图，其中，第一辐射阱壁部件、第二辐射阱壁部件和第三辐射阱壁部件60、62、64以及气隙66是可见的。其涉及根据本发明的辐射阱组件的第一实施方式，该实施方式的特征在于气隙。
[0046] 总共三个部件形成辐射阱。在X射线管10上，位于X射线管的出口侧的辐射阱的第一辐射壁部件60经由若干螺钉安装到真空容器壁的钨合金部件84。第一辐射壁部件中的材料是足够厚的
黄铜(SS5170)，以阻挡从X射线管发射的最高能的辐射。第二辐射壁部件62由Cu(SS5011)制成，第三辐射壁部件64以及单色仪主体70由
不锈钢(AISI 304)制成，并且这里也是足以阻挡最高能辐射的材料厚度。第二辐射壁部件和第三辐射壁部件都位于单色仪的入口侧，其都用螺钉牢固地固定到单色仪主体。监测到第三辐射壁部件通过互锁系统使用微型开关就位，如果移除此第三部件，则该微型开关关闭X射线管。第二部件是真空系统的一部分，又是互锁系统的一部分，并且如果单色仪被
通风(vent)，则关闭X射线。
[0047] 当第一辐射壁部件60对接到阱的第二辐射壁部件62和第三辐射壁部件64中时，组装辐射阱，从而构成迷宫式密封，通过撞击气隙中的气体分子、Kapton窗68或阱自身的周围材料(即，次级或更高级辐射场)而产生的辐射不能从该迷宫式密封逸出。阱允许的最大运动在三维上独立地是大约10mm，但是可根据需要容易地扩展到大于10mm。在设计该阱时，已经考虑了其中的部件的极限位置，从而使得能够安全地操作X射线源。该阱本身不允许垂直于射束方向的运动大于最大允许值，但是仍保持观察者在视线之外，因为构成部件将碰撞。为了确保该阱不被拉开(在沿着射束路径的方向上)，存在附接到X射线管的拉线，将其联接到单色仪主体。如果X射线管被拉离单色仪罐太远，则将释放拉线，并且经由互锁系统关闭该管。
[0048] 图4是从另一角度看的辐射阱的剖视图，其中，在螺钉80、82之间示出了增加的凹槽86，这些凹槽旨在防止当两个平面60、84相遇时辐射泄漏。通常，当邻接加工金属部件的两个件时，尽管在制造部件时使用了高精度CNC机器，但是在部件之间可能会形成较小的间隙。为了在设计中避免从这些区域泄漏，在一个加工部件和相邻部件中的匹配伸出部件中引入凹槽。辐射阱组件的第二部件在其装配到在单色仪主体中加工的凹槽中时具有稍微
修改的设计，有效地阻挡X射线。
[0049] 图5是从粒子束轴线观察的辐射阱组件的剖视图。其示出了构成辐射阱的三个部件之间的气隙。第一部件60插入到由阱的第二部件62和第三部件64形成的空隙中。Kapton窗68密封单色仪罐。
[0050] 图6公开了辐射阱组件的第二实施方式。此实施方式的特征在于柔性波纹管94。第二辐射阱的辐射壁部件90由黄铜(SS5170)制成，而与其匹配的辐射阱组件的部件集成到单色仪罐70中。这允许甚至更紧凑的设计。在这里，波纹管94本身、Kapton窗96和波纹管凸缘92(AISI304)的内表面可用作辐射源。波纹管通过螺钉固定到单色仪罐，并且经由真空标准互锁，和在根据第一实施方式的设计中一样，即根据第一辐射阱。相同类型的凹槽98用于阻挡从平坦表面之间的窄间隙逸出的辐射。将第二辐射阱安装到单色仪出口端口的原因是因为边缘焊接的波纹管必须足够薄以允许单色仪和分析真空室45之间的必要运动，但是这不可避免地意味着最高能量的辐射可能穿过材料。阱的设计允许相同的大约10mm，或者如果需要的话更多的，独立地在所有三维空间中运动。因此，观察者不会暴露于包括三元场的较低级的辐射，因为所有暴露表面都在视线之外。
[0051] 根据本发明的一个替代实施方式，X射线源和单色仪真空室之间的间隙，以及当照射间隙时屏蔽周围环境免受辐射的第一辐射阱，都由壳体包围。此壳体还构造为封装围绕间隙的环境气体。根据特定的应用需要，该气体可以是任何气体，例如空气、氮气、氩气、氦气或其他稀有气体。气体的状态是减压的或加压的，这也取决于应用需要。第一辐射阱和第二辐射阱中的任一个或两者都适合于根据以下实施方式中的任一个进行封装。
[0052] 在使用具有低于环境空气压力的压力(该压力是通过
真空泵可获得的压力)的气体的情况中，可预期气体粒子和X射线之间的碰撞的数量减少，并且因此，X射线辐射的吸收更少，特别是对于较低能量的X射线辐射。而且，减少了对实验设备，特别是Kapton窗的污染。因此，期望窗的寿命增加，这至少对于减少对系统的服务和维护要求是有益的。这还具有潜在地减小封装Kapton窗所需厚度的额外优点，因为真空室与封装间隙和辐射阱的壳体之间的压力差需要对应的材料厚度以避免内爆窗。减小的厚度提供了吸收更少的优点，并因此提供了潜在的更高的X射线辐射通量。作为给定较低压力差的替代方式，可考虑具有不同强度和透射特性的其他X射线窗材料。这对于能量特别低的X射线辐射范围是有益的。
[0053] 另一方面，如果使用高于环境空气压力的压力，即通过加压泵可获得的压力，则可通过所谓的吹扫将气体引入到壳体中。因此，先前的气体由引入的气体代替，当氮气作为惰性气体代替空气时，这可能是有益的。较高的压力还允许在引入之前使用
过滤器设备来过滤气体。因此，这可导致更少的污染。
[0054] 作为又一实施方式，气体压力可与环境空气，即壳体外部的空气相同或相似。
[0055] 替代设计包括将薄的柔性Pb箔片固定到波纹管或围绕间隙，但是禁止使用Pb，因为其有毒且必须不与裸露
皮肤接触。当在人会暴露的设计中使用此材料时，要求严格的管理要求。此方法的一种变型是使用其中已经加入了Pb颗粒的
橡胶，但是必须应用具有足够厚度的垫子，因此运动受到阻碍，这在薄Pb箔片的情况下也是相关的。为了允许部件的运动，必须移除这些保护盖(Pb箔片或Pb橡胶)，并且在此过程中，辐射将不可避免地泄漏到周围环境中。
[0056] 然而，作为本发明的最后一个替代实施方式，为了符合适用的管理要求，使用Pb橡胶板设计波纹管，该Pb橡胶板将具有足够柔性以处理相对运动且同时吸收X射线辐射。
