用于X射线散射分析的X射线分析系统

摘要

本发明涉及用于X射线散射分析的X射线分析系统。该X射线分析系统包括：X射线源，用于产生沿透射轴(3)传播的X射线的射束；至少一个具有孔隙的混合狭缝(5b)，该孔隙限定射束的横截面的形状；样品，由混合狭缝(5b)成形的射束照射到该样品上；X射线检测器，用于检测来自于该样品的X射线，其中混合狭缝(5b)包括至少三个混合狭缝元件(7)，每个混合狭缝元件(7)包括以锥角α≠0与基底(9)结合的单晶基板(8)，混合狭缝元件(7)的单晶基板(8)限制该孔隙，该X射线分析系统的特征在于，混合狭缝元件(7)沿透射轴(3)以一定偏移量交错布置。本发明的X射线分析系统表现出改进的分辨率和信噪比。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于X射线散射分析的X射线分析系统，该系统包括：产 生沿透射轴传播的X射线的X射线源；至少一个具有孔隙的混合狭缝，该孔隙 限定了X射线束的横截面形状；通过混合狭缝成形的X射线所照射到的样品； 和用于检测来自于样品的X射线的X射线检测器，其中该混合狭缝包括至少三 个混合狭缝元件，每个混合狭缝元件包括以锥角α≠0与基底结合的单晶基板， 混合狭缝元件的单晶基板限制了孔隙。

背景技术

从WO2011086191A1中知道这样的X射线分析系统。

X射线检测、特别是X射线衍射(XRD)和小角度X射线散射(SAXS) 测量在多种应用中用于样品的化学分析和结构分析。

特别在使用实验室源(laboratory source)的SAXS测量中，具有高光子通 量和低背景值很重要。光子通量对于具有短数据获取时间很重要，并且由于散 射信号通常非常小，低背景值很重要。狭缝的孔隙限定了射束横截面的尺寸和 形状、以及射束的发散，这些对能达到的分辨率是重要的参数。

通过将X射线照射到多晶材料狭缝的孔隙，会发生寄生性衍射，这将导致 信噪比的减小。为了限制X射线的发散，已知在X射线束的光路中使用三个孔 隙狭缝。然而，这将导致光子通量的减少以及从而测量时间的增加。

Li Youli，Beck Roy，Huang Tuo等(Scatterless hybrid metal-single-crystal  slit for small angle X-ray scattering and high resolution X-ray diffraction， JOURNAL ofAPPLIED CRYSTALLOGRAPHY，第41期，第1134-1139页 (2008年))建议使用混合狭缝，其中混合狭缝的边缘由单晶(如锗或硅)组成。 混合狭缝包括金属基底，该金属基底上安装了矩形单晶基板，其中该混合狭缝 元件的单晶基板限制了孔隙。由于晶界的全反射和散射，寄生性散射可以被避 免。混合狭缝的引入使得仅用2个狭缝(方形针孔)而仍具有底背景值成为可 能。

WO2011086191A1中公开了一种用于使用混合狭缝的SAXS测量的X射线 分析系统，该混合狭缝包括两组相对彼此对置布置的两个混合狭缝元件，以形 成矩形的或方形的孔隙。在SAXS测量中，分辨率由最小的能达到的散射角度 决定，进而该角度取决于被适当的射束截捕器所阻挡的直射射束横截面的尺寸。 由于最小的射束截捕器尺寸取决于射束横截面的从中心到最外侧点的距离，由 WO2011086191A1所知的X射线分析系统的分辨率受限于混合狭缝元件的尺 寸。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有改进的分辨率和信噪比的X射线分析系 统。

根据本发明，通过混合狭缝元件沿透射轴以某一偏移量交错布置来实现该 目的。

X射线束照射到样品，由此混合狭缝的单晶基板边缘限制了X射线源产生 的X射线束的横截面。因此，混合狭缝元件被圆周状地围绕透射轴放置，它们 的底部背对透射轴，而它们的单晶基板则面对透射轴。

由于本发明的混合狭缝元件的交错布置，单晶基板被放置在沿透射轴的不 同位置(在z轴偏移)，在该透射轴上单晶基板可能重叠(见沿透射轴上的投影)， 但他们并不会相互遮挡。因此，假如孔隙是通过选择了恰当数量的混合狭缝元 件，混合狭缝的孔隙尺寸的选择可以不取决于混合狭缝元件的尺寸，并且孔隙 形状的选择可以不取决于尺寸。优选的是，单晶基板的相应部分之间的偏移在 透射轴方向上符合单晶基板的尺寸。然后，混合狭缝元件的偏移取决于单晶基 板的厚度。

通过交错布置混合狭缝元件，可实现具有很多边缘的多边形横截面，虽然 具有很多边缘，但仍显示出小的尺寸。混合狭缝元件基底优选由高密度金属构 成；单晶基板具有高质量，以便于确保最小的材料缺陷(特别是单晶)，优选使 用由锗、硅构成的单晶基板。

混合狭缝、样品和检测器优选都沿透射轴放置，由此样品被放置于混合狭 缝和检测器之间。混合狭缝被放置于X射线源和样品之间的射束的光路中。也 可以将检测器移动到垂直于光路的位置，以便于测量更宽的角度范围。在这种 情况下，直射射束(穿过混合狭缝而没有被散射的射束)被照射到检测器的边 缘。

附图说明

附图中示出了本发明。

图1示出了本发明的X射线分析系统的优选设置。

图2a示出了本发明的具有八边形配置的混合狭缝的主视图(沿透射轴)。

图2b示出了单个混合狭缝元件的主视图。

图2c示出了混合狭缝元件的侧视图(垂直于透射轴)。

图3示出了穿过八边形混合狭缝的射束的横截面。

符号说明

1   X射线分析系统

2   X射线源

3   透射轴

4   射束形成元件

5a  孔隙狭缝

5b  孔隙狭缝/混合狭缝

6   样品

7   混合狭缝元件

8   单晶基板

9   基底

10  X射线检测器

11  射束截捕器

12  单晶基板的锐边

13  X射线束的最为发散的X射线

2θ 散射角

α  锥角

XB  X射线束

具体实施方式

在优选实施例中，混合狭缝元件被布置为形成在沿透射轴方向的投影中观 察具有n条边的多边形边形，其中n＞4，特别地，n≥8。

由孔隙决定的射束横截面的形状优选为正多边形。多边形边数越多，就越 接近圆，因此，将要通过它的光子通量越多。由于光子通量的增加，狭缝的数 量可以减少，从而分析系统的尺寸可以减少。对于可忽略的单晶基板的偏移， 混合狭缝孔隙的形状也是正多边形，并且对于所有单晶基板，单晶基板到透射 轴的距离是一样的。对于不可忽略的偏移，单晶基板间的距离d的变化取决于 沿透射轴的单晶基板的位置(Δd＝OS tan(2θ)，其中Δd＝到透射轴距离的差值， 2θ＝发散角度，OS＝相邻单晶基板间的偏移量)。

在本发明的X射线分析系统的特定实施例中，混合狭缝元件可垂直于透射 轴地移动，特别是在径向方向上。混合狭缝元件的孔隙的尺寸和/或形状可以通 过改变混合狭缝元件的径向位置来改变。

由于对置的混合狭缝元件并不相互遮挡，所以对置的混合狭缝元件能组成 一对，并且混合狭缝元件成对地交错布置。也就是说，对置的混合狭缝元件被 放置在相同的z-位置。因此，混合狭缝尺寸可以减小。

在优选实施例中，X射线分析系统是包括射束截捕器的小角度X射线衍射 分析系统，射束截捕器被放置于混合狭缝和检测器之间并用于阻挡入射的X射 线。对于SAXS测量，检测器被放置成接近X射线源的透射轴，以便于检测大 纳米粒子的信号。射束截捕器被放置于被测样品和检测器之间。射束截捕器阻 止直射射束的任何部分射到检测器，否则它将透过检测器并使得衍射X射线能 量的测量更加困难。因此，射束截捕器必须足够大以便覆盖可能被直射射束射 到的区域。另一方面，散射角度应该尽可能小，因此选择射束截捕器应选择为 尽可能小。

优选混合狭缝元件的径向位置和沿透射轴的位置被选择以优化所检测到的 散射X射线的光子通量。由于X射线束的发散，单个混合狭缝元件的径向位置 取决于它们各自沿透射轴的位置。为了优化光子通量，穿过混合狭缝的X射线 束的横截面应该类似于射束截捕器(通常为圆形)的形状和尺寸。

X射线源最优选是实验室源，例如密封管(sealed tube)、旋转阳极(rotating  anode)、微源(microsource)和金属喷射源(metal-jet source)。实验室源表现 出很强的发散，这导致通量的损失。与实验室源结合，本发明的X射线分析系 统在背景值仍然很低的情况下，导致光子通量的显著增加(与现有X射线分析 系统的状态相比)。

锥角优选大于射束发散角度，特别地，α＞10°。射束限定单晶基板被定向 成远离任何关于入射射束的Bragg峰的位置，以便于阻止异常透射。此外，锥 角应该被选择为足够大，以便于阻止来自狭缝的表面散射。

在高度优选的实施例中，提供了两个混合狭缝，其中狭缝沿透射轴放置并 相互间隔。此外，还可以再提供一个混合狭缝，特别是圆形针孔。两个混合狭 缝优选可以被单独地调整，以便于使射束的横截面适应样品的要求。

本发明也涉及到上述创造性的设备的使用，如在(特别是采用实验室源的) SAXS测量中优化光子通量。

可以从说明书和附图中提取更多的优点。本文上面和下面提到的特征可以 根据本发明而单独使用或以任意组合共同使用。所提到的实施例不能理解为完 全枚举，而是具有针对本发明描述的典型特征。

图1示出了本发明的X射线分析系统1(例如用于SAXS测量)的实施例。 X射线分析系统1包括X射线源2(特别是实验室源)，该X射线源2沿透射轴 3发射出X射线束XB。X射线束XB由射束形成元件4准备，该射束形成元件 4收集发射出的X射线并产生确定的发散和单色性的射束，然后该射束照射到 两个孔隙狭缝5a和5b。该孔隙狭缝5a和5b沿透射轴3以一定距离间隔布置， 并限制照射到样品6的X射线束XB的横截面的尺寸。

靠近样品6放置的孔隙狭缝5b(混合狭缝)包括若干个混合狭缝元件7， 该混合狭缝元件7被圆周状地围绕在透射轴3布置。每个混合狭缝元件7包括 与基底9结合的单晶基板8(图2b)。单晶基板8相对于X射线束XB而以锥角 α倾斜(见图2c)。由于单晶基板8的倾斜布置，射束XB的横截面的尺寸和形 状由面向透射轴3的单晶基板8的锐边12限定。通过使用具有单晶基板8的混 合狭缝元件7，由晶界和缺陷引起的寄生性散射可被避免。此外，由全反射引起 的寄生性散射可通过选择比全反射角度更宽的单晶基板8的锥角α来减小。

X射线束XB照射到在透射轴3方向上被放置于距混合狭缝5b一定距离的 位置的样品6。在透射轴3方向上被放置在距样品6一定距离的位置的X射线 检测器10(此处为位置敏感区域检测器)检测被散射的X射线。为了防止检测 器10被穿透，直射射束XB被放置于样品6和检测器10之间的射束截捕器11 所阻挡，其中透射轴3穿过射束截捕器11的中心。多边形混合狭缝5b的尺寸 和射束截捕器11的尺寸被选择，以使得直射射束XB的穿过混合狭缝5b和样 品6的、最为发散的射线13(如图2中的细黑线所示)被射束截捕器11阻挡。 通常希望具有尽可能小的散射角2θ，因此射束截捕器11应该选择为尽可能小。

图2a示出了具有八个混合狭缝元件4的混合狭缝5b的优选实施例。混合 狭缝元件7的单晶基板8形成八边形内轮廓。一般地，对具有n边的多边形孔 隙的混合狭缝5b而言，至少需要n个混合狭缝元件7。

根据本发明，混合狭缝元件7沿透射轴3以某一偏移量交错布置。混合狭 缝元件7的交错布置使得混合狭缝元件7能够重叠布置。因此，能够不取决于 单晶基板8的尺寸而实现小孔隙狭缝尺寸(如图2b和2c所示，孔隙边缘长度1 不受限于单晶基板8的长度L)。两个相邻混合狭缝元件7之间的偏移量优选与 相应单晶基板8(相邻单晶基板8相互间是相接触的或几乎相接触的)的厚度(在 透射轴3方向上的尺寸)相关。与已知的混合狭缝相反，通过交错布置混合狭 缝元件7，可以提供更多的混合狭缝元件7来形成孔隙狭缝5b。因此，通过逼 近圆形形状，可以提高光子通量，同时，通过采用倾斜的单晶基板8，可以减少 寄生性散射。然而，混合狭缝元件的数量受限于可以被整合到X射线分析系统 中的混合狭缝5b的最大长度。

被放置于源2和混合狭缝5b之间的孔隙狭缝5a可以是圆形针孔，由于这 增加了狭缝的总面积，从而也增加了光子通量。几乎全部由混合狭缝5b来确定 背景值，因此仅需要混合狭缝5b为多边形，然而混合狭缝5a和5b可以都为多 边形混合狭缝，因为这将在所有情况下都增加光子通量，如下文所示：

对于半径为R的射束截捕器11的给定尺寸，多边形混合狭缝5b的最大直 径被预先设定，因为射束截捕器11必须能够截捕所有穿过混合狭缝5b的X射 线。图3示出了穿过八边形混合狭缝结构5b的X射线束的横截面。横截面的 最大直径为2R。

多边形混合狭缝的边数越多，就越接近于圆，因此穿过的光子通量也越高。 具有n个侧边的多边形面积为：

$A=\frac{1}{2}n{R}^2\sin \left(\frac{2\pi }{n}\right)$

对于正方形，n为4，等式为A＝2R²，而对于八边形，A＝2.82843R²。若n 无限大，多边形趋近于圆，有A＝πR²。与将圆形狭缝用于孔隙狭缝5a并将正方 形混合狭缝用于孔隙狭缝5b相比，在将圆形狭缝用于孔隙狭缝5a并将八边形 混合狭缝用于孔隙狭缝5b的情况下，光子通量的增益系数为1.414，从而为 41.4％。与采用两个正方形混合狭缝相比，在将圆形狭缝用于孔隙狭缝5a并将 八边形混合狭缝用于孔隙狭缝5b的情况下，光子通量的增益系数为2.221，从 而为122.1％。实验中已经确定到了与预测值非常接近的增益系数。

混合狭缝元件7可被安装成沿透射轴3方向和/或沿径向方向(垂直于透射 轴3的方向)可移动。后者使得能够创造不同尺寸和/或形状的混合狭缝5b，以 使混合狭缝5b适应于具有不同尺寸的射束截捕器11的不同应用。需要注意的 是，由于X射线束XB的发散和混合狭缝元件7的交错布置，为了产生X射线 束的对称横截面，不同的混合狭缝元件7必须以不同的到透射轴3的距离来布 置。由于混合狭缝元件7优选彼此接近地交错布置，所以混合狭缝元件7到透 射轴3的距离差异很小，图2a中没有示出。相应地，为了改变混合狭缝5b的 孔隙的尺寸而保持其形状，不同的混合狭缝元件7必须根据他们沿透射轴3的 位置来移动不同的距离，也就是说，混合狭缝元件7越远离X射线源2，其在 径向上必须移动得越远。

本发明的混合狭缝元件7的交错布置就混合狭缝5b的尺寸和形状而言，提 供了更多的灵活性。大量的混合狭缝元件7可被用于形成具有很多边(特别是 多于四边)的多边形孔隙，其中孔隙边长小于单晶基板8的长度。因此，对于 给定的射束截捕器尺寸的光子通量可以增加，或者射束截捕器尺寸可以减小， 且对于给定的光子能量的X射线分析系统1的分辨率可以提高。