JP5887281B2 - マルチビームｘ線システム - Google Patents

Description

典型的なＸ線分析機器は、Ｘ線源と、Ｘ線プローブビームを提供するＸ線光学システムを含む。プローブビームの特性が、機器の特性と能力を決定する。プローブビームの性能パラメータは、空間的定義についての発散、エネルギー定義についてのバンド幅、および与えられた断面についての強度を含む。これらのパラメータは、しかし、１つのパラメータを向上することがしばしばその他のパラメータの性能を低減するので、独立して最適化されることができない。多くのＸ線プローブビームは、標的原子と加速された電子の間の相互作用から結果としてなる特性的輝線を使用する。光学システムが配送することができるスペクトルは、特定の標的からの利用可能なスペクトルによって制限される。

Ｘ線源とＸ線光学系における現行の技術は、絶対的平行性、非常に狭いエネルギーバンド幅、可変波長、および非常に高い強度の属性を有する理想的なプローブビームを配送することができない。代りに、異なる特性をもったビームを配送するために異なる光学システムが構築され配列される。異なるＸ線源デザインとの組み合わせで、光学システムは、異なる機器能力、機能および応用のために要求されるビームを配送する。このアプローチは通常、複数の光学システムと、複数のＸ線管または複数の標的さえもが関与し、よって管理するのに不便でありコストがかかる。

いくつかのシステムは、異なる波長について多層光学系の曲率を変化させる屈曲機構を含む多層光学系を採用する。そのようなシステムは異なるソースの使用を可能とするが、特定の波長にマッチした曲率を信頼性をもって正確に形成することができる機械的システムは作製することが難しい。加えて、複数の波長で作動するように設計された多層光学系は、各特定の波長について最適化されることができない。

これらの多層光学系システムはまた、各セクションが特定の波長のために設計されている光学系の複数のセクションを含んでいても良い。光学系のセクションは、特定の作動波長が必要となった時に作動位置まで機械的に移動される。しかしながら、これらのシステムは、２次元の場合と関連付けられた問題に対処していない。

そのような多層光学系システムは更に、各構造が特定の波長のために設計されている構造のスタックとしての複数の多層被膜配置を含む。これらのシステムは利便性と低コストを供するが、全ての特定の波長についてのより低い反射性と、異なる多層被膜構造からの異なるエネルギーにおけるブラッグ反射による高い背景ノイズのために、それらの性能は妥協されたものである。

対面配置にある２つの２次元光学系を含む２次元システムとしてその他のシステムが採用されてきた。各光学系は、異なるエネルギーまたは波長のために設計される。しかしながら、そのような配置は、性能のために最適である理想的なテイクオフからはるかに離れたソーステイクオフ角において１つまたは両方の光学系を有する。

同じエネルギーのために設計された光学系の時でさえ、平行ビームおよびフォーカシングビーム構成のような様々なビーム構成の中から構成を素早く変更することの必要があり得る。

従って、異なる特性のビームを配送することができるプローブビームシステムが必要である。

１つの形では、マルチビームＸ線光学システムは、Ｘ線を放射するＸ線源と、第１の部分と第２の部分をもったハウジングを含む。第２の部分は第１の部分に対して移動可能であり、異なる性能特性の複数の光学系を含む。光学系がＸ線源からのＸ線を受け取り、Ｘ線を望ましい位置に向かせるように、各光学系が第１の部分に対する第２の部分の動きを通して作動位置に配置される。

Ｘ線光学システムの恩恵は、向上した機能性、向上した性能、可能とされた機器能力、利便性および低コストを含む。

この発明の更なる特徴および利点は、図面を参照して以下の記載と、この明細書の一部を形成する添付された請求項を精査した後に、当業者には容易に明らかとなるであろう。

明細書に組み込まれその一部を形成している付随する図面は、本発明のいくつかの側面を描写し、記載と共に、発明の原理を説明する役目を果たす。図中のコンポーネンツは、必ずしも実物大ではなく、代りに発明の原理を描写することに強調が置かれている。しかも、図中で、同様の参照番号は図面全体を通して対応する部分を指し示す。

図１Ａは、発明に従ったマルチビームＸ線システムの分解斜視図である。 図１Ｂは、図１ＡのマルチビームＸ線システムの切り取り図である。 図２Ａは、図１ＡのマルチビームＸ線システムの原理を描写している概略図である。 図２Ｂは、図１ＡのマルチビームＸ線システムの原理を描写している概略図である。 図３Ａは、マルチビームＸ線システムの別の実施形態の原理を描写している概略図である。 図３Ｂは、マルチビームＸ線システムの別の実施形態の原理を描写している概略図である。

異なる特性をもったビームを配送することが可能なＸ線光学システムがここに記載される。光学システムは複数の光学系を含み、各光学系は異なる応用の必要に見合うために固有の性能特性を有する。ビーム特性は、平行ビーム光学系やフォーカシング光学系のような空間的定義の変動、ＣｕＫα、ＭｏＫα、ＡｇＫαおよびその他の波長のようなスペクトル差、発散との間の異なるトレードオフ、サンプル上のフラックス、または上記の全てを含んでいても良い。光学システムは、対応する光学系が望ましい光学的経路に機械的に配置された時に特定のビームを配送する。

ここで図１Ａと１Ｂを参照すると、本発明の原理を体現しているマルチビームＸ線システムがそこに描かれており、１０で指し示されている。その主要なコンポーネンツとして、Ｘ線システム１０は、ハウジング１４とカバー１６内に囲み込まれた光学システム１２を含む。

マルチビームＸ線システム１０は、特定の光学系を望ましい作動位置に配置するための機構を採用し、それはそこにおいて各光学系が、或る制約内で、その最適化されたテイクオフ角と、設計されたソース−光学系距離と、マッチしたソース焦点スポットおよび光学系焦点と、正しいブラッグ角を有する作動位置として定義される。制約は、全てのビームの設計された遮断ポイントと、意図されたビーム向きおよび位置と、あらゆるその他の望ましい制約を含んでいても良い。図２Ａと２Ｂに示された配置では、光学システム１２は、光学系２０と２２のペアをもった光学エレメント１８を望ましい作動位置に配置するための回転式機構を含み、そこで光学系２０と２２は円形の幾何学的配置に配置され、各光学系２０と２２が作動位置の内外に配置されるように、光学システム１２がその軸の周りを回転させられる。

光学エレメント１８は、システム１０がその作動位置にある光学系のために配置された時に、光学系２０または２２がソース２４の意図されたソース焦点スポット２６または２８とシステム１０に粗く揃えられるようなやり方で光学系が揃えられるように、各光学系２０と２２のための粗いアラインメント機構を有していても良い。代替的にまたは追加的に、光学システム１２および光学系２０と２２は、光学システム１２がその作動位置にある望ましい光学系のために配置された時に、光学系が意図されたソース焦点スポットに粗いアラインメントの正確さと精度で予め揃えられているように、作製されている。

使用時には、ソース２４は、それぞれの光学系２２、２０においてソース焦点スポット２６または２８のどちらかからＸ線を放射し、それは一方でビームを焦点３０、検出器、サンプル、またはあらゆるその他の好適な位置においてフォーカスする。特に、図２Ａと２Ｂに示された配置では、回転式ハウジングと呼ばれているハウジング１４が、２つのシェル１５と１７をもった構造を有する（図１Ｂ）。内側シェル１５は、異なる特性をもった光学系２０、２２のための複数の位置を提供する。内側シェル１５は、光学系２０、２２のどちらかが予め規定された作動位置に配置されることができるように、外側シェル１７に対して矢印１９で指し示されたように光学機器１２の軸の周りをどちらの方向にも回転されることができる。上に示された通り、各光学系２０、２２は、それが作動位置に動かされた時に、それぞれのソース焦点スポット２８、２６と意図された方向または位置に予め揃えられているかまたは粗く揃えられる。各光学系２０、２２は、それ自体の粗いアラインメント機構を有していても良く、あるいはそれは粗いアラインメント機構の精度で光学システム１２中に工場にて設置されることができる。静的な外側シェルは、主要ビーム方向に跨った横方向の平行移動、ブラッグ角アラインメント、およびオプションの主要ビームに沿った平行移動を含み得る、微小なアラインメントのために必要とされるアラインメント運動の全てを提供するアラインメント機構を装備していても良い。

代替的に、光学システム１２が、主要ビーム方向に跨った横方向の平行移動、ブラッグ角アラインメント、およびオプションの主要ビームに沿った平行移動を含み得る、微小なアラインメントのために必要とされるアラインメント運動の全てを提供するアラインメント機構を装備していることができる。

図３Ａと３Ｂに示された別の配置は、その全てがハウジング１４（図１Ａ）と同様のハウジング中に取り囲まれた、光学系１２０と１２２のペアをもった光学エレメント１８を矢印１３２で示されたように前後に外側シェル１１７に対して望ましい作動位置まで配置するための平行移動機構をもった光学システム１１２を描いている。光学系１２０と１２２は、線形アレイ、あるいはもしより多くの光学系がシステム中に含まれていれば２次元マトリクス、に配列され、特定の光学系が作動位置まで平行移動される。同様に、ソース２４は、それぞれの光学系１２２、１２０においてソース焦点スポット２６または２８のどちらかからＸ線を放射し、それは一方でビームを焦点３０、検出器、サンプル、またはあらゆるその他の好適な位置においてフォーカスする。

光学系１２０、１２２は、異なる空間的定義または異なるエネルギーのような異なる性質を有する。異なるエネルギーの場合については、光学系１２０、１２２は、異なるスペクトルのために採用されることができ、異なるソース焦点スポットに揃えられることができる。各光学系１２０、１２２は、光学系がその望ましい作動位置に配置された時に、それぞれのソース焦点スポット２８、２６と意図された方向または位置に予め揃えられているかまたは粗く揃えられても良い。各光学系１２０、１２２は、それ自体の粗いアラインメント機構を有していても良く、あるいはそれは定義された粗いアラインメント機構の精度で工場にて設置されていても良い。ハウジング１１７は、主要ビーム方向に跨った横方向の平行移動、ブラッグ角アラインメント、およびオプションの主要ビームに沿った平行移動を含み得る、微小なアラインメントのための望ましいアラインメント自由度の全てを提供するアラインメント機構を装備していることができる。

代替的に、光学システム１１２が、主要ビーム方向に跨った横方向の平行移動、ブラッグ角アラインメント、およびオプションの主要ビームに沿った平行移動を含み得る、微小なアラインメントのための望ましいアラインメント自由度の全てを提供するそれ自体のアラインメント構造を装備していることができる。

上述した光学的配置は、異なる放射特性をもった２つ以上のソース焦点スポットを形成するために異なる標的材料と共に採用されることができる。各光学系は、特定の標的材料上の特定の焦点スポットに揃えられる。異なる波長をもったビームが、異なる標的焦点スポットを稼動し、ビームを選択するためにスリットを使用することによって配送される。

光学システムは、平行ビームとフォーカスビームのような、同じエネルギーだが異なる空間的特性をもったビームを提供するように設計されても良い。この場合の配置は、同じ標的材料と同じソーススポットを使用する。

光学システムは、いくつかのビームが異なるエネルギーを有し、いくつかのビームが異なる空間的定義のみを有するように、混合された特性をもった複数のビームを配送することができる。この場合には、複数の標的材料とソース放射スポットが採用されることができ、複数の光学系が単一のソーススポットに揃えられることができる。

前述した配置のいずれにおいても、Ｘ線源２４は、単一の標的材料または複数の標的材料を有したポイント状ソースである。複数の標的材料をもったＸ線源（密封されたチューブと回転する陽極の両方）は、各ストリップが異なる標的材料である複数のストリップをもった標的を含むことができる。異なる標的材料と関連付けられたソース焦点スポットは、異なる位置を有することができる。従って、Ｘ線光学系は、標的上に異なる焦点スポットをもった、異なる標的材料のために設計されることができる。代替的に、標的は、全ての元素からの特性線の全てを含んだスペクトルを放射する、異なる元素の混合物であることができる。光学系は、作動波長と関係無く同じ焦点スポットを有することができる。

Ｘ線源２４が、ストリップ構造を有する異なる標的材料と共に使われる時には、電子ビームが標的と相互作用するところの望ましい焦点スポットに異なる標的材料が配置されることができるように、ソース２４は陰極を含んでも良く、標的は機械的に移動可能であっても良い。電子ビームは、異なる焦点スポットにおいて異なるスペクトルが生成できるように、異なる標的材料に電子的に操られることができる。

特定の配置では、Ｘ線源２４はポイント状投影を提供し、システム１０は、図２Ａと２Ｂに示されたような複数の２次元光学系をもった回転式ハウジングを含む。Ｘ線源は、単一の標的を有し、ＫαやＫβのような異なる特性的輝線を配送する。光学系は、平行ビーム、異なる焦点距離をもったフォーカシングビーム、および異なる作動波長（Ｋα、Ｋβ、Ｌα、．．．）と異なるバンド幅のような異なるスペクトル定義をもったビームのような、異なる空間的定義をもったビームを配送することができる。各光学系は、設計されたビーム特性を配送するために作動位置まで回転されることができる。

別の配置では、Ｘ線源２４は、ＣｒＫα／Ｋβ、ＣｕＫα／Ｋβ、ＭｏＫα／Ｋβおよびその他のような１つまたは複数の標的材料からの放射スペクトルを配送し、システム１０は、複数の２次元光学系をもった回転式ハウジングを含む。各光学系は、特定の波長のために採用されるおよび／または特定の特性のセットを有する。単一の標的または異なる標的のＸ線は、もしそれが単一の標的材料であるかまたは標的が混ぜられた混合物で作られていれば同じソーススポット、あるいはもしソース標的が異なる材料のストラップからなっていれば異なるソースポイント、から放射されることができる。各光学系は、その焦点が意図されたソース焦点スポットに揃えられているように構成されて粗く揃えられており、設計された方向と位置に従ってビームを配送する。回転機構は、円形構造中のあらゆる光学系を作動位置に配置することができる。微小なアラインメント構造は、最適な性能のために光学系を微小に揃えるように、作動位置にある光学系と係合する。

更に別の配置では、Ｘ線源２４は、ＣｒＫα、ＣｕＫα／Ｋβ、ＭｏＫα／Ｋβおよびその他のような１つまたは複数の標的材料からの放射スペクトルを配送し、光学システム１０は、線形アレイまたは複数の２次元光学系をもったマトリクスハウジングを含む（例えば、図３Ａと３Ｂを参照）。各光学系は、特定の波長のために構成されるおよび／または特定の特性のセットを有する。単一の標的または異なる標的からのＸ線は、もしそれが単一の標的であるかまたは標的が混ぜられた混合物から作られていれば同じソーススポット、あるいは複数のソースポイント、から放射されることができる。各光学系は、その焦点が意図されたソース焦点スポットに揃えられているように構成されて粗く揃えられており、望ましい方向と位置に従ってビームを配送する。平行移動機構は、アレイまたはマトリクス中の光学系のいずれかを作動位置に配置する。微小なアラインメント構造は、最適な性能のために光学系を微小に揃えるように、作動位置にある光学系と係合する。

Ｘ線源２４は、異なる材料をもった陽極と、異なるスペクトルを放射する異なるソース焦点スポットを形成するために異なる材料に電子ビームを配送する陰極を含んでいても良い。陰極は、電子ビームを異なる標的材料に操るための電磁気的偏向機構をもった電子銃であることができる。代替的に、陽極は、異なるスペクトルをもったＸ線を生成するために異なる材料が電子ビームの下に配置されることができるように、再配置可能であることができる。

光学系は、多層光学系であることができる。多層光学系は、段階的な多層光学系であり、異なる焦点距離をもったコリメーティング光学系とフォーカシング光学系のあらゆる組み合わせであることができる。

或る実装では、各２次元光学系は、Kirkpatrick-Baez方式におけるようなシーケンシャルな幾何学的配置か、あるいはその両方の全体が引用によってここに組み込まれる米国特許第6,042,099号と第6,014,423号に記載されたような「サイドバイサイド」の配置のいずれかにある２つの１次元光学系から作られている。２次元光学系は、コリメーティング光学系のための放物面状幾何学的配置かまたはフォーカシング光学系のための楕円体状幾何学的配置を有する、単一反射光学系であることができる。

前述したものおよびその他の実施形態は、以下の請求項の範囲内である。

Claims (14)

1. 異なるスペクトルを有するＸ線源と、
   第１の部分と第２の部分をもったハウジングであって、第２の部分は静的な第１の部分に対して移動可能であり、第２の部分はＸ線ビームの軸と垂直な２つの方向でビームを条件付けする複数の２次元多層Ｘ線光学系を含み、光学系がＸ線源からのＸ線を受け取り、異なる性能特性のＸ線を望ましい位置に向かせるように、各光学系が第１の部分に対する第２の部分の動きを通して作動位置に配置されているものと、を含む、マルチビームＸ線ビームシステム。
2. 光学系がその作動位置に配置された時に各光学系が揃えられるように、第２の部分がアラインメント機構を含み、光学系は、意図されたビーム方向とビーム位置をもって望ましいソース焦点スポットに揃えられており、アラインメント機構は、少なくともいくつかのＸ線が光学系を通して反射されるであろうように各光学系を揃える、請求項１のマルチビームＸ線ビームシステム。
3. 光学系が、意図されたビーム方向とビーム位置をもって望ましいソース焦点スポットに揃えられて、少なくともいくつかのＸ線が光学系を通して反射されるように、各光学系が予め揃えられている、請求項１のマルチビームＸ線ビームシステム。
4. 第１の部分が、光学系がその作動位置に配置された時に各光学系を揃えるためのアラインメント機構を含み、光学系は、意図されたビーム方向とビーム位置をもって望ましいソース焦点スポットに揃えられている、請求項１のマルチビームＸ線ビームシステム。
5. 第２の部分が、光学系がその作動位置に配置された時に各光学系を揃えるためのアラインメント機構を含み、光学系は、意図されたビーム方向とビーム位置をもって望ましいソース焦点スポットに揃えられている、請求項１のマルチビームＸ線ビームシステム。
6. 光学系ハウジングは、外側シェルと内側シェルをもった回転式ハウジングであり、内側シェルが第２の部分であって外側シェルが第１の部分であり、内側シェル中の複数の光学系は、円形の幾何学的配置にあって外側シェルに対して回転可能であり、各光学系は、外側シェルに対して内側シェルを回転することによってその望ましい作動位置に配置されている、請求項１のマルチビームＸ線ビームシステム。
7. 光学系ハウジングは、第１の部分である外側シェルと、線形アレイまたはマトリクス構造を有し、外側シェルに対して移動可能である複数の光学系をもった第２の部分をもったハウジングであり、各光学系は、外側シェルに対して第２の部分を平行移動することによってその作動位置に配置されている、請求項１のマルチビームＸ線ビームシステム。
8. Ｘ線源は、異なる標的材料をもった陽極と、異なるスペクトルを放射する異なるソース焦点スポットを形成するように電子ビームを異なる材料に配送する陰極を含み、ソース焦点スポットは、そこからＸ線が放射されるＸ線源上のスポットである、請求項１のマルチビームＸ線ビームシステム。
9. 陰極は、電子ビームを異なる標的材料に操るための電磁気的偏向機構をもった電子銃である、請求項８のマルチビームＸ線ビームシステム。
10. Ｘ線源は、異なるスペクトルをもったＸ線を生成するために異なる材料が電子ビームの下に配置されるように、異なる標的材料をもち再配置可能である陽極を含む、請求項１のマルチビームＸ線ビームシステム。
11. ２次元多層Ｘ線光学系は、段階的なｄ間隔の多層光学系である、請求項１のマルチビームＸ線ビームシステム。
12. 段階的な多層光学系は、発散、焦点距離、作動エネルギーおよびエネルギーバンド幅を含んだ性能属性の異なる組み合わせをもった、コリメーティング光学系とフォーカシング光学系のあらゆる組み合わせである、請求項１１のマルチビームＸ線ビームシステム。
13. ２次元多層光学系の各々は、サイドバイサイドの幾何学的配置かまたはシーケンシャルなKirkpatrick-Baezの幾何学的配置のいずれかにある２つの１次元光学系から作られている、請求項１１のマルチビームＸ線ビームシステム。
14. ２次元光学系は、Ｘ線ビームをコリメートするための放物面状幾何学的配置かまたはＸ線ビームをフォーカスするための楕円体状幾何学的配置を有する、請求項１１のマルチビームＸ線ビームシステム。

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