专利名称：用于x射线散射的x射线衍射装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于实施X射线，实^;装置，尤其包括广角X射线M (WAXS)和小角度X射线絲(SAXS)。
背景技术：
X射线衍射是一种将X射线;M",品并测量衍射或散射的X射线以获得 关于该样。°"言息的/>^技术。衍射角与测量过禾1^斤^^的^1标度相关一长度 标M^t应^W角越小。小角度X射线^f是一种用于在纳米(nm)范围内进^m构研究的测量 技术。X射线jW,品，并JL^小，角度(典型地小于7度)测量作为散 射角函数的强度。^it些小角n， X射线束能够以tbit过传统广角X射线衍 皿测的亚纳米范围稍微大些的长度标度^v测样品中的结构。与传统X射线衍射(XRD)才支术不同，用于小角度，的样品不必是晶体， 因此该41^可以用来确定高分子的'l"么资和X射线衍射不适用的部分有序结构。 样品不必是固体形式，并且该技术可用在液体、溶液和悬浮液以及固体上。SAXS的大多氣皮用嘲漆求真空隔离以防止JC^空气散射。典型地，SAXS装置包括固定在独立X射线源上的真空壳体。该真空壳体 叙内样JM^^部分、各种X射线41iL部件(尤其包括一些用于限制A4t束M 的束调节器)和吸收^^殳被，的X射线的射线束挡块。X射^r测器可设 立在该壳体的内部或夕N^。SAXS技^殳有如所期望的那样被广泛使用，这也i午是因为^"求专用装 置。用传统XRD装置检测小角度"IMt辐射未育晚出具有最佳质量的结果。广角X射线储(WAXS)是滅大角度进行的勤以方法。WAXS的目标 可以是来自电子密度的周期模式的M或来自孤^^立子的IMt，对SAXS补充 测量。发明内容才娥本发明的第一个方面，提供了:MW漆求1所述的X射线衍射计。 在另一个方面，本发明涉及如^U'J要求ll所述的X射线^t腔室。 本发明在传统衍射计中使用了与大气隔绝的可拆卸腔室。该腔室可通过单 次安^易地引Ail移除。该腔室允许在传统衍4ti十中进e^则量，但是能确保X射线^4圣的主辆分穿过与大气隔绝的x射线wt腔室。这允许射线勤M^要^it过真空或^:气体。对于某些应用场合，与其中X射线与空气的相互作用可育诚为强烈的背 景，源的传M^t4^测對目比，这使得测量得到改善。该方法的另一传絲于在可拆卸的X射线^f腔室中，糾品的前后 (也^JUi初级侧和次级侧)都设有一些元^H者如射线束调节器。射线束调节器可一絲可拆卸的x射线 ^腔室中固定和对齐。该腔室可简单和tfei^安絲传乡錄置中的合适位置上，且当不再需要时可同棒决i^k^多除。这样加快了测量i^并增强了灵活性。通过提供这种将安^lfe传统x射线衍^H十(尤其是带有测角器的常规类型)中的腔室，该装置的用户不必获取用于在射线M径的真^/气体隔绝的情况下 进行实j^装备有相机的专用系统。该方法特别g于ii^f亍SAXS测量。本发明允许在^求完全定做的SAXS 系统的情况下进行高质量的SAXS测量。射线束调节器可以包括安絲小角度IMt样品架和X射 出窗口之间、出现的问题。射线束调节光学器^包括处于x射线输入窗口与小角度Wt样品架之间的初级射线束调节器。通过将该初,线束调节器和射线，块安装在同一壳体内，形成理想的迷宫(labirint)来防止强的直絲线束^J:影响有用的絲 强度。因此，通过将该腔室^t^在传统XRD装置中，无需过多的调节就能够得 到用于实施SAXS测量的优化配置。本发明还可用于WAXS测量。在这种情况下，X射线lfc^腔室具有的形状 可为X射线提供路径，所述X射线以高可达预定角度的角度被小角度"^t样品架中的样品絲，其中所述预定角度的范围为10^90度。还存在一些传统X射线衍射应用，在这些应用中让样品和X射线轨迹的主 ^分处于真空中或处于非周围环境的气氛中是有益的，本发明对于这些应用而言^M^别有益。衍4ti十可以包括处于X射线源和X射线衍^i十腔室之间的初级光学器件。初级光学器件可以包括单色仪、椭圆或抛物线x射^Jt4^U^^型光学器件。
为了更^^k^^^发明，下面将参考附图必降以举例的方^实施例进行 描述，其中图i示出了才娥本发明的没有安装Wt腔室的x射线衍4ti十；图2示出了安装了Wt腔室的图1的X射线衍4ti十； 图3说明了带有^it錄品架的另一个实施例；以及 图4示出了才娥另一个实施例的腔室。在不同的图中，类似或对应的部件具有相同的参考数字，并JLil些附图是 示意性的且并非按比例绘制。M实施方式参见图1,才N^第一实施例的X射线衍^K十包括X射线源2和X射^r测 器4。 "^i了一对测角器轴6，并且源2和检测器4各自安絲测角器轴6上。 必要时，源和樹则器通过臂5安絲测角器上。i^第一样品架8以用于将X 射线样品安装在测量位置上。X射线源2和X射线检测器4都可以围绕该测量 位置絲。在X射线源和样品台之间设有X射^^刀絲学器件10，例如准直器 和/或单色仪。^R^地，源2可以固定，样品架8可以在一个测角器轴6上转动，而检测 器4在另一个测角器轴6上絲。如4^页域^^Mv员将能理解的那样，还可以 ^MI其它配置。在用作传统X射线衍4ti十时，样品被安絲第一衍射样品架8上，絲X 射线衍射(XRD)样品架8和X射线检测器4以实施X射线衍射扫描。如图2所说明的那样，该系乡说可^UI]来实施小角度X射线，。仅仅将 第一XRD样品架8M线^J^圣Ji^多除。^f狄，可以将XRD样品架8移出 射线束路径。X射线^Ut腔室12代替XRD样品架8可拆卸秘装。X射线，腔室12 通过安^^置7可拆卸地安絲测角器轴6上。该安^t置可包括安^Mp螺 钉、臂状物或^f可适合的固定技术。X射线Wt腔室12可被安絲系统中以实 施测量，并且可再次移除以允许系统再次实施常规测量。X射线，腔室12可 再JJ ^安装，即在净hi:回原处时，X射线絲腔室12与其先前位置精密对齐。腔室12包括气密壳体14 (在实施例中也被称为管子)和第二样品架16。 在壳体为真空密封时，端口 15允许将壳体14抽空。替代地，必要时壳体可充 以气体。腔室12还包括输入窗口 18和输出窗口 20。射线束调节器22、 23被安装 在输入窗口 18和第4品架16之间，射线束挡块24被安装在第二样品架16 与输出窗口之间。射线#块24可被认为是次,线束调节器。特别地，射线束调节器包括处于输入窗口和样品架16之间的初级射线束调 节器22、 23。它们包括沿着射线束路径的多个狭缝22,然后U后的初M4t线 束调节器23。未穿过狭缝22的X射^f皮很大禾I^:^L减。^f^MM狭缝而 非平行板准直器，因为平行板准直^引起，，但是必要时可#^ 1额外 ^MM平4m准直器。最后的初，线束调节器23 iM在第二样品架16附近，JJU于去除来自 其它初,线束调节器的所有寄生，。射线^^块24 i^W品架16与输出 窗口20之间。初,线束调节器22、 23和射线束挡块24相西給以P且止未被散 射的X射线到达输出窗口 20。注意，最后的初级射线束调节器23和射线^i 块24 i組X射线^4圣26的相对两侧。虽然^D了术语"射线絲块"，但是该射线絲块并没有完全F雄絲， 而^l^l^^^皮，的^艮大禾l^l^:减，其衰减系亂l少为104。在^J )时，X射m过X射^T入窗口 18从X射线源2沿着X射线姊 径26输入，经过初贿线束调节器22、 23种中样品架16中的样品。未被样 品，的X射线继续前i^^ii^线束挡块24，在那里这些射^^皮吸收。被， 的X射线经蹄线絲块24并穿过输出窗口 20，在那里这些射^^皮樹则器4检测。必要时，^i'J器可以在臂5 Ji^L测角器轴6周围移动。^fW，检测器 可以是平行的、能够在某一角度范围内测量X射线的检测器P车列；在这种情况 下，可能不需^^动检测器。 该实施例提供了许多优点。在该实施例中，腔室12是一个SAXS腔室。在传统SAXS装置中，通过 将除X射线源^f的所有部件安^L专门设计用于SAXS测量的单个壳体中来 确保可靠性。发明人已经认识到，实际上关键部件是初,线束调节器、射线 J^i块和样品架，^fi人识到这些部件可iy^单个可拆卸的壳体内。通iiit种 方式，在传统XRD装置中，可重复^JUX射线系统的一些昂贵部件，i;H口源、 称则器、J^器和X射錄蔽罩。先前在常綠置上实施SAXS的尝试没有^f^真空，JU殳有将初棘线束 调节器、射线絲块和样品架安絲单个机壳上。^U这些系乡械到的结果是 有局限的-缺少真空和缺乏射线束调节器的传统SAXS设置会显著地降低 SAXS应用的灵敏性。^J^I该实施例，不同于常规SAXS装置，SAXS腔室不包括其自身的检测 器，且该SAXS腔室可以和常规XRD装置""^使用。因此，与现有方案相比 极;UW少了 SAXS的额外成本。在结合常规XRD装置使用腔室12的实施例中，SAXS测量的结^^f， 因为SAXS腔室IM^供了获得最^^量结^^斤必需的真空，又确保了初贿线 束调节器22、 23、 SAXS样品架16和射线^^块24之间的精确对齐。因此， 与在常规XRD装置(其中X射线穿过空气JL其中不可能实现在用于SAXS测 量的实施例中用到的设置)中只是测量小角度W"所获得结勤目比，这些结果 的质量M的多。特别地，将初级调节器22和射线^i块24i5^空室内iat了被，的 X射线与空^i目互作用和因此引起进一步的辐射，否则这些进一步的辐射会到 #测器4并使结果的质量变差。通过将初,线束调节器22和样品架16固定在同一壳体内，该初M4t线 束调节器^S^上可以被预iW齐。这:^M可简单,SAXS腔室12安装就位， 而不需要额外的对齐程序。该具体实施例的另 一个阮点是SAXS腔室12净皮安^lfe连接时精确对齐,而不^"^i^行额外对齐。因此，SAXS腔室能够应付X射线源附近的M初级 光学器件，并与X射线源2精确对齐。在^a实施例中，SAXS腔室12能够简单地安^XRD装置内，不是安 装在测角器轴6上而是^安^^L壳的底部或其它地方。还可以进行其它^初级光学器件10可包括椭圆反射镜。在SAXS中 椭圆反射镜的^^I是^^的，因而扭b^不对其进^^一步描述。另一个^R^"^i将所谓的^^型单色^f^作初减学器件10。在这种情 况下，初级光学皿包^^m^镜和晶体的组合。回到整个系统，树部件可以'tfe^和容易i^皮移絲更换。特别有利的是 提供^Mt部件的卡扣更换，以使得它们能够快速和容易地*#^换。i^it用于不 同的初级光学H^、不同的X射线管和不同的检测器。实际上，可以^^二^~测器或多个检测器以;^多的常 测器，这些 ^;则^5i^单一方向j^t作为角度的函数的x射线强度进行测量。to^，样品架16保持着管子例如毛细管。可以用O型环将该管子密封 1^立以##^亥真空壳体14的真空完整性。样品架16可以包括 样品温度的可能设置。作为一种^R^"案，如图3所示可以4M—种^iti^羊品架。管子30穿过 壳体14,且如示奮1"生示出的那样被0型环32密封。^jfeil种情况下，液体34可 在测量期间^it样品架，并被沿射线^4圣26传播的X射^ii^^则量。这种M也可用于粉末。X射线"lfc^腔室12可以选棒^^k^许将定做的^^则器在壳体14内部或在 其夕MP^^ X射线，腔室12内。在^fM时， 一些应用可以在X射线絲腔室12内^^J特定气体iMMU 空。气密性壳体同样允"itit种选择。射旨出，腔室样品架16不必与腔室12-^>形成。在一些实施例中，样 品架可以与气密样品腔室夕^的环*^#~11^许在X射线絲过某种^A 穿过真空的同时将样品暴S^另一种气氛。可以在腔室12保持固定的情况下将 样品移除和放回。在其它实施例中，样品架16位于腔室12内，并与腔室12 — 起被移絲放回。另一种改善在于包括一些在上述实施例中提供的功能，这些功肯^f过将初ltt学器材10与腔体12 ^"^k/te^固定在壳体14内部、但也可育^i固定在 壳体14夕Mp而提供。例如，单色仪可i5^管子内部，所述单色仪可以是椭圓单 色城齡型单色仪。在图2的设置中，基^7K平地安装SAXS腔室，且X射线5^^^上是水 平的。然而，这不是必需的，且能够将SAXS腔室竖直地安^^合錄置中。虽然上述实施例将该腔室用于SAXS，但是其它腔室也可被用于其它类型 的测量。在另一个实施例中，SAXS腔室具有与图4中示出的不同形状，以便能够 4捐所谓SAX&WAXS技^^小角度对广角絲进行测量。输出窗口 18 比图2的实施例大的多。在这种情况下，最大M角可以为90度。检测器4可 以被移至不同位置以跃捕获d 、角度Wt数据又捕获广角嘲浙数据。替换实施例才^^是专门适用于SAXS，而不itJ^是利用腔室来将射线束 调节光学器件安装在测量位置的前后并确保射线束路径穿过真空或i^气体。 这样通im^被准直器或射线^^^t的X射线与空^目互作用^成额外 的寄生X射线到ii^测器，使测量质量得到改善。
权利要求
1. 一种X射线衍射计，包括用于将入射X射线引导至样品测量位置的X射线源；用于检测从样品测量位置输出的X射线的X射线检测器；用于对所述源、检测器和样品至少之一的位置进行调节的测角器；以及可拆卸的X射线散射腔室，包括气密性壳体，其具有用于接收来自X射线源的入射X射线的X射线输入窗口和用于将被散射的X射线传送到X射线检测器的X射线输出窗口；处于X射线输入窗口与样品测量位置之间的、用于调节入射束的至少一个射线束调节器，和处于样品测量位置与X射线输出窗口之间的至少一个射线束挡块；以及用于将该腔室可拆卸地安装在合适位置上的安装设备。
2、 如^U'J要求1所述的X射线衍4ti十，所述衍^fi十包括多个可更换的样 品架，其中包括第一样品架，其用于在X射线^Ut腔室被卸下的情况下将样刷^N^羊品 测量位置上；以及连接至X射线，腔室的第二样品架，其用于在X射线，腔室,錄上的 情况下将x射线Wt腔室中的样刷^#^#品测量位置上。
3、 i^U'J要求l所述的X射线衍^i十，其中;^则器被安絲测角器上。
4、 H5U'J要求1所述的X射线衍射计，其中X射线lfc^腔中的处于输入 窗口与样品测量位置之间的射线束调节器包括至少一个狭缝。
5、 力^U'J要求1所述的X射线衍射计，其中X射线^t腔室具有的形状 可为X射^^供i^圣，所述X射线以高达预定角度的角度被测量位置上的样品 ，其中所述预定角度的范围为10Ml40度。
6、 如4WJ要求1所述的X射线衍射计，还包括处于X射线源和X射线散 射腔室之间的初棘线束光学糾。
7、 ^^U'J要求6所述的X射线衍射计，其中所述初级光学器件包括X射 a^l"餘或晶解色仪。
8、 一种X射线^f腔室，其适i^皮安絲X射线衍4ti十中，该X射线衍4t^十包括x射线源、x射线检测器和用于对样品测量位置周围的源和^"测器至少之一的位置进4亍调节的测角器，所述X射线，腔室包括 用于能再Jl^^i^f多除所idlt室的安^^置；气密性壳体，其具有用于接收来自X射线源的X射线的X射线输入窗口 和用于将被Wt输出的X射线传iiU'J X射^;则器的X射嫩出窗口 ；以及 处于X射^^入窗口与样品测量位置之间的、用于调节A^t束的至少一个射线束调节器，和处于样品测量位置与x射m出窗口之间的、用預节输出的X射线的至少一个射线束挡块。
9、 如权利要求8所述的X射幾fUt腔室，其用于实施测量，其中射线束 调节器适于和射线^块酉給以阻止未被样品测量位置上的样品散射的X射线 到达检测器。
10、 力4又利要求8所述的X射线储腔室，其中X射线絲腔室具有的形 状可为X射^^供i^圣，所述X射线以高达预定角度的角度被测量位置上的样 品 ，其中所述预定角度的范围为10赶140度。
11、 如;^U'J要求8所述的X射线，腔室，还包括为^it式管子形式的样 品架。
12、 一种x射线Wt腔室的梯作方法，所述x射线JMt腔室具有用于能再JJ5iik^和移RH玄腔室的安M置；气密性壳体，**有用于接收来自X射线源的X射线的X射^^入窗口 和用于将被Wt输出的X射线传i!U，J X射 ^则器的X射 出窗口 ；和处于X射线输入窗口与样品测量位置之间的、用于调节A^f束的至少一个射线束调节器，和处于样品测量位置与x射m出窗口之间的、用預节输出的X射线的至少一个射线束掉块； 包拾将X射线，腔室可拆卸地安^t X射线衍射装置中；^fM连接的X射线"ty^目机实施样品测量；将X射线^Mt腔室从X射线衍射装置上卸下。
全文摘要
本发明公开了一种包括壳体(14)的X射线散射腔室(12)，其可安装在位于X射线源(2)与X射线检测器(4)之间的X射线衍射装置中，例如安装在测角器臂(6)上。该壳体(14)包括样品架(16)和射线束调节光学器件(22、24)，而且该系统还使用壳体外部的初级光学器件(10)。该装置适用于SAXS和/或SAXS-WAXS。
文档编号G01N23/207GK101256160SQ20081009516
公开日2008年9月3日 申请日期2008年1月17日 优先权日2007年1月19日
发明者V·科根 申请人:帕纳科有限公司