[发明专利]使用晶体分析器和多个检测器元件的X射线吸收光谱的系统和方法

说明书

一种装置包括晶体分析器，该晶体分析器相对于x射线源定位在切面中的罗兰圆上并具有罗兰圆半径(R)。晶体分析器包括至少在切面内沿至少一个方向弯曲的晶面，其曲率半径基本上等于罗兰圆半径的两倍(2R)。晶面被配置为接收来自x射线源的x射线，并根据布拉格定律分散接收的x射线。该装置还包括被配置为接收至少一部分分散x射线的空间分辨检测器。空间分辨检测器包括多个具有可调的第一x射线能量和/或可调的第二x射线能量的x射线检测元件。多个x射线检测元件被配置为：测量所接收的具有低于第一x射线能量的x射线能量的分散x射线，同时抑制对所接收的高于第一x射线能量的分散x射线的测量；和/或测量所接收的具有高于第二x射线能量的x射线能量的分散x射线，同时抑制对所接收的低于第二x射线能量的分散x射线的测量。第一x射线能量和第二x射线能量在1.5keV至30keV的范围内可调。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年5月18日提交的第63/026,613号美国临时申请的优先权，并且通过引用以其全文并入本文。

技术领域

本申请总体上涉及x射线吸收光谱系统。

背景技术

x射线吸收光谱(XAS)是一种广泛用于确定物质的局部原子几何状态和/或电子状态的技术。XAS数据通常通过将光子能量调节(常常使用晶体单色仪)到可以激发芯电子的范围(1-30keV)来获得。这些边部分是根据激发的芯电子来命名的：主量子数n＝1、2和3分别对应于K边、L边和M边。例如，1s电子的激发发生在K边，而2s或2p电子的激发发生在L边。

XAS测量材料基质中元素的x射线吸收响应，其能量范围跨越该元素的(一个或多个)吸收边中的一个，分别包括K边、L边和M边。在XAS光谱中有三个主要的光谱区域：1)峰值吸收能量(白线)之前的边前光谱区；2)x射线吸收近边结构(XANES)区，也称为NEXAFS(近边x射线吸收精细结构)，其能量范围从白线以上约10eV到约150eV，以及3)EXAFS(扩展x射线吸收精细结构)区，其能量范围达吸收边以上1000eV并包括吸收边在内。

透射模式XAS测量透过包含感兴趣的元素的物体的x射线。根据XAS光谱的光谱区域和吸收边的能量，以足够高的x射线能量分辨率(例如，范围从0.3eV到10eV)测量XAS光谱。对于在宽能量带宽上发射x射线的x射线源，通常使用单晶分析器根据布拉格定律选择窄能量带宽：

2d·sinθ＝nλ (1)

其中，d为晶体分析器的晶格间距，θ为布拉格角，n为整数，λ为满足布拉格定律的x射线波长。由晶体分析器的较高米勒指数晶面衍射的波长等于λ/n的x射线被称为高次谐波。此外，具有较大d间距的较低米勒指数晶面反射的具有成正比的(一个或多个)大波长的x射线被称为低次谐波。

发明内容

在本文所述的某些实施方式中，一种装置包括x射线源，该x射线源包括被配置为在电子轰击时生成x射线的靶。该装置还包括相对于x射线源定位在切面中的罗兰圆上并具有罗兰圆半径(R)的晶体分析器。晶体分析器包括至少在切面内沿至少一个方向弯曲的晶面，其曲率半径基本上等于罗兰圆半径的两倍(2R)。晶面被配置为接收来自x射线源的x射线，并根据布拉格定律分散所接收的x射线。该装置还包括被配置为接收至少一部分分散x射线的空间分辨检测器。空间分辨检测器包括具有可调的第一x射线能量和/或可调的第二x射线能量的多个x射线检测元件。多个x射线检测元件被配置为：测量所接收的具有低于第一x射线能量的x射线能量的分散x射线，同时抑制对所接收的高于第一x射线能量的分散x射线的测量；和/或测量所接收的具有高于第二x射线能量的x射线能量的分散x射线，同时抑制对所接收的低于第二x射线能量的分散x射线的测量。第一x射线能量和第二x射线能量在1.5keV至30keV的范围内可调。

在本文所述的某些实施方式中，荧光模式x射线吸收光谱装置包括x射线源、晶体和检测器。源和晶体定义了罗兰圆。该装置被配置为在罗兰圆的焦点处接收样本，其中，检测器面向样本的表面。