执行x射线光谱分析的方法和x射线吸收光谱仪系统技术方案

用于执行x射线吸收光谱分析的方法和x射线吸收光谱仪系统，该x射线吸收光谱仪系统与紧凑的实验室x射线源一起使用，从而以高空间分辨率和高光谱分辨率测量对象中感兴趣元素的x射线吸收。光谱仪系统包括：紧凑的高亮度实验室x射线源；使x射线聚焦通过要检查的对象的光学组件；以及包括单晶分析仪(在某些实施例中还包括镶嵌晶体)的光谱仪，用于将透射射束分散到空间分辨x射线检测器上。高亮度/高通量x射线源可以具有在0到105mrad之间的出射角，并且耦接到光学组件，该光学组件收集高通量x射线并使其聚焦到小于500微米的点上，从而得到高通量密度。光学组件的涂层还可以充当“低通”过滤器，从而允许一次观察到预定带宽的x射线，同时排除高次谐波。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】执行x射线光谱分析的方法和x射线吸收光谱仪系统相关申请的交叉引用本专利申请要求2017年3月22日提交的临时专利申请号62/475,213的优先权，该临时申请是2017年2月14日提交的美国专利申请15/431,786的部分继续申请，该部分继续申请又是2016年9月19日提交并且现在以US9,570,265公布的美国专利申请15/269,855的部分继续申请，并且还是2016年5月27日提交的美国专利申请15/166,274的部分继续申请，这些专利申请的全部内容通过引用的方式合并入本文中。另外，美国专利申请15/269,855是2014年12月5日提交并且现在作为美国专利9,449,781公开的美国专利申请14/544,191的部分继续申请(该专利申请通过引用的方式全部并入本文中)，后者要求2013年12月5日提交的美国临时专利申请号61/912,478、2013年12月5日提交的61/912,486、2014年2月28日提交的61/946,475以及2014年6月6日提交的62/008,856，所有这些专利申请通过引用的方式全部并入本文中。申请15/269,855也是2015年3月3日提交并且现在作为美国专利申请9,448,190公布的美国专利申请14/636,994的部分继续申请，这些专利申请的全部内容通过引用并入本文，并且进而要求2014年6月6日提交的美国临时专利申请号62/008,856、2014年12月1日提交的62/086,132以及2015年2月17日提交的62/117,062的权益；所有这些专利申请通过引用的方式全部并入本文中。
本文公开的本专利技术的实施例涉及一种执行x射线光谱分析的方法以及具有x射线照射系统的x射线光谱分析系统，该x射线照射系统包括具有大于10eV的能量带宽的聚焦x射线光学器件，该x射线光学器件收集来自实验室源的x射线并将部分收集的x射线以小于500微米的焦点尺寸聚焦在对象上或附近。在许多实施例中，焦点是＜10-20μm。光谱仪的各种实施例可以具有各种x射线材料和光学元件以提供适合于各种x射线光谱分析应用的各种x射线带宽范围。
技术介绍
1.介绍测量材料的x射线吸收特性(尤其是在电离能附近)可以揭示有关材料的组成和化学状态的信息。x射线吸收光谱分析(XAS)是在高亮度同步加速器光源下通常用于化学分析的一种技术，但是由于所需的获取时间较长并且实验室系统的光谱分辨率较低相结合，因此在实验室中的应用受到限制。为此，描述了一种具有重大创新的实验室XAS系统以增加特定能量下x射线的通量并实现高光谱分辨率，从而允许更好地分析与吸收边缘相关的吸收精细结构。为了使用实验室x射线源创建这种功能，需要一种用于x射线吸收光谱分析的新方法。1.1X射线源通常，实验室的x射线源是通过利用在真空中通过电势(以keV测量)加速的电子轰击具有选定x射线生成材料的阳极靶而产生的。随着电子和材料的碰撞，可能发生几种能量传递机制，包括热量和产生x射线。用高达原始电子能量(在本示例中约50KeV)的x射线能量产生x射线光谱，该x射线光谱包括特征x射线和连续谱，通常被称为韧致辐射。增加x射线源亮度的方法是通过提高加速电压来增加电子的能量，使用具有较高原子序数Z的靶材，和/或增加轰击该材料的电子密度。然而，这通常受到材料吸收能量而不熔化或损坏的能力的限制。因此，大多数现有技术的电子轰击x射线源包括具有良好热特性(诸如高熔点和高导热率)的单一x射线辐射材料。靶材还可以安装在基板上或嵌入其中，该基板具有被选择为高效地将热量从x射线生成材料传导出去的特性，而x射线生成材料的厚度受到电子穿透深度的限制。1.2X射线聚焦光学器件由电子束轰击产生的x射线通常会在所有方向上辐射，并且可以通过使用光学器件来增加给定分析区域的样品上的x射线通量密度。对于XAS测量，聚焦光学器件需要针对能量带宽工作。在迄今为止开发的XAS实施例中，通常不使用x射线光学器件，而是使用微焦点x射线源。1.3X射线吸收光谱仪X射线吸收光谱分析(XAS)通常以大于10eV的能量分辨率测量对象在预定能量范围内吸收的随x射线能量变化的x射线比例，包括对象中元素的吸收边缘。由于同步加速器光源的高亮度和容易的能量可调性，因此通常在同步加速器光源上进行。基于实验室的小型x射线吸收光谱分析系统将容易访问和完全控制；但是，实验室XAS系统的性能受到许多因素的组合的极大限制，这些因素包括实验室x射线源的韧致辐射的低亮度、与使用高折射率反射有关的晶体分析仪的低衍射效率以及非最佳光谱仪的设计。这些限制通常导致不可接受的长获取时间(高达约数十小时)和/或差的能量分辨率。因此，很少使用实验室系统。最近开发的实验室内系统使用球形弯曲晶体分析仪来实现XANES测量所需的足够高的能量分辨率(Seidler，G.T.等“现代实验室XAFS手册”，物理学期刊：会议系列，第712卷，第1辑，IOP出版，2016年)。但是，该系统有若干个限制，这些限制包括：在源和对象之间没有聚焦光学器件，导致对象上的x射线通量密度低；需要大的照明区域以在对象上获得足够的x射线通量；由于照明面积大，晶体分析仪需要在高布拉格角下工作以获得足够的能量分辨率；因为对于在高布拉格角下工作的晶体分析仪的x射线能量范围通常被限于窄的工作能量范围，光谱仪需要大量晶体分析仪以在足够宽的能量带宽上工作；因为在高布拉格角下工作的晶体分析仪通常反射比XAS测量所需的能量分辨率明显更窄的能量带宽，所以会导致测量吞吐量的显著损失。另外，XAS测量通常是通过逐点扫描x射线能量来执行的。因此，需要一种能够克服现有实验室XAS系统的局限性的具有高通量的实验室x射线吸收光谱分析系统。
技术实现思路
在本申请中提出的是用于执行x射线吸收光谱分析测量的方法和系统，以及以高吞吐量、高空间分辨率和高光谱分辨率来测量x射线透射的x射线吸收光谱仪。设备所公开的x射线吸收光谱仪包括实验室x射线源和光学组件，该光学组件使从要检查的对象上或附近的x射线源出现的x射线聚焦在大于10eV的能量带宽上，焦点尺寸小于500微米。光学组件的有益效果包括样品上的高x射线通量和用于分析小区域(高空间分辨率)的小照射点以及使用具有低布拉格角以实现高通量的晶体分析仪和光谱仪的紧凑性。另外，它还可以用作对x射线具有预定的高能截止的低通滤波器。通过使用具有能够用作低通聚焦反射器的特性的光学组件的有益效果是：通过使x射线源中的轰击电子的能量实质上更高，可以增加x射线源的x射线生成效率。光学组件中的x射线光学元件可以包括毛细管x射线光学器件，该毛细管x射线光学器件包括与二次函数的一个或多个部分相对应的反射表面轮廓，诸如抛物面、椭圆体或Wolter型(例如，抛物面和双曲面轮廓)。光学元件包括但不限于基于全外反射的x射线镜面光学器件。对于以角度入射到原子数为Z的材料表面上的x射线，对于近掠射角(例如)，反射率接近100％；对于大于与材料相关且与x射线能量相关的临界角的角度，反射率会下降。临界角通常小本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于执行x射线吸收光谱分析的方法，包括：/n使用x射线束照射预定样品，所述x射线束具有大于0.1％的能量带宽并且包括与要检查的对象内的感兴趣元素的吸收边缘相对应的能量；/n在所述吸收边缘附近且包括所述吸收边缘的能量带宽上使用单晶光谱仪以优于3eV的能量分辨率获取x射线吸收光谱，所述x射线吸收光谱包含x射线吸收近边缘结构(XANES)光谱的至少一部分；/n以比使用所述单晶光谱仪获取的能量分辨率更粗的能量分辨率并且在比由所述单晶光谱仪获取的x射线能量带宽更宽且包括所述吸收边缘的能量带宽上使用镶嵌晶体光谱仪获取x射线吸收光谱，使得使用所述镶嵌晶体光谱仪获取的吸收光谱包含至少扩展的x射线吸收精细结构(EXAFS)数据；以及/n处理从所述单晶光谱仪和所述镶嵌晶体光谱仪获取的光谱以产生x射线吸收光谱，其中，利用前一光谱细化与前一光谱相对应的能量带宽内的后一光谱。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170322 US 62/475,2131.一种用于执行x射线吸收光谱分析的方法，包括：
使用x射线束照射预定样品，所述x射线束具有大于0.1％的能量带宽并且包括与要检查的对象内的感兴趣元素的吸收边缘相对应的能量；
在所述吸收边缘附近且包括所述吸收边缘的能量带宽上使用单晶光谱仪以优于3eV的能量分辨率获取x射线吸收光谱，所述x射线吸收光谱包含x射线吸收近边缘结构(XANES)光谱的至少一部分；
以比使用所述单晶光谱仪获取的能量分辨率更粗的能量分辨率并且在比由所述单晶光谱仪获取的x射线能量带宽更宽且包括所述吸收边缘的能量带宽上使用镶嵌晶体光谱仪获取x射线吸收光谱，使得使用所述镶嵌晶体光谱仪获取的吸收光谱包含至少扩展的x射线吸收精细结构(EXAFS)数据；以及
处理从所述单晶光谱仪和所述镶嵌晶体光谱仪获取的光谱以产生x射线吸收光谱，其中，利用前一光谱细化与前一光谱相对应的能量带宽内的后一光谱。


2.根据权利要求1所述的方法，还包括使用至少一个毛细管反射性x射线聚焦光学器件将所述x射线束聚焦在预定对象上，其中，经聚焦的x射线束具有包括所述吸收边缘的能量带宽，并且包含能量比所述吸收边缘高100eV的x射线。


3.根据权利要求1所述的方法，使用具有至少在分散平面中弯曲的单晶分析仪的单晶光谱仪。


4.根据权利要求3所述的方法，使用具有弯曲单晶的所述单晶光谱仪以利用空间分辨检测器来收集罗兰圆外几何形状中的高分辨率x射线光谱。


5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述对象内选择感兴趣的元素；以及
识别所述元素的吸收边缘x射线能量，以用于执行x射线吸收光谱分析测量。


6.根据权利要求1所述的方法，其中，使用单晶光谱仪以优于3eV的能量分辨率获取x射线吸收光谱包括：以优于3eV的能量分辨率获取x射线吸收光谱；使用包括在罗兰圆外几何形状中配置的弯曲单晶的单晶光谱仪，使得x射线根据布拉格方程被分散在分散平面中；以及使用空间分辨x射线检测器记录分散的x射线。


7.根据权利要求1所述的方法，使用镶嵌晶体光谱仪以比使用所述单晶光谱仪获取的能量分辨率粗的能量分辨率获取x射线吸收光谱，所述镶嵌晶体光谱仪包括至少在所述分散的矢状方向上弯曲的镶嵌晶体分析仪和空间分辨x射线检测器，
并且收集由所述晶体分析仪分散并由VonHamos几何形状的空间分辨检测器记录的x射线光谱。


8.一种用于执行x射线吸收光谱分析的系统，包括：
微焦点x射线源；
用于要检查的对象的安装座；
至少一个聚焦x射线光学器件，所述至少一个聚焦x射线光学器件从所述微聚焦x射线源收集x射线，所述x射线的能量带宽大于与所述对象中元素的吸收边缘相对应的x射线能量的0.1％且包括与所述对象中的感兴趣元素的吸收边缘相对应的x射线能量，并且所述至少一个聚焦x射线光学器件使收集的x射线的一部分聚焦到焦点尺寸小于500微米的焦点上，
具有能量分辨率的至少一个单晶光谱仪包括：
至少在分散方向上弯曲的至少一个单晶分析仪，
至少一个空间分辨x射线检测器；
并且其中，所述焦点、所述单晶分析仪和所述空间分辨x射线检测器可以被置于罗兰圆外几何形状，
并且以优于3eV的能量分辨率记录随x射线的能量而变化的、穿过所述对象传输的x射线吸收光谱。


9.根据权利要求8所述的系统，其中，至少一个聚焦x射线光...

【专利技术属性】
技术研发人员：云文兵，西尔维娅·贾·云·路易斯，雅诺什·科瑞，斯里瓦特桑·塞沙德里，艾伦·弗朗西斯·里昂，本杰明·唐纳德·斯特普，
申请(专利权)人：斯格瑞公司，
类型：发明
国别省市：美国;US