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与流程

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
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于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
3.本技术总体上涉及x射线吸收光谱系统。


背景技术：

4.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。
5.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。
6.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：
7.2d
·
sinθ＝nλ
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
8.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。


技术实现要素：

9.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。
10.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。
11.在本文所述的某些实施方式中，一种方法包括收集xanes光谱。该方法还包括收集比xanes光谱具有更粗分辨率的exafs光谱。exafs光谱在至少30ev的能量区域内与xanes光谱重叠。该方法还包括在能量区域内将xanes光谱和exafs光谱彼此归一化，并且用能量区域中的xanes光谱替换能量区域中的exafs光谱，以生成组合光谱。
附图说明
12.图1示意性地示出了两种类型的晶体分析器：johann晶体分析器(左)和johansson晶体分析器(右)。
13.图2是对于8kev x射线作为布拉格角θb的函数的示例计算的能量展宽δe的曲线图，其中，x射线源光斑尺寸为400微米，罗兰圆直径(2r)为500毫米。
14.图3是作为被分析样品中元素的原子序数的函数的x射线线能量和辐射线宽的曲线图。
15.图4示意性地示出了根据本文所述的某个实施方式的示例装置。
16.图5示意性地示出了根据本文所述的某些实施方式的示例圆柱形弯曲的johansson晶体分析器下游的分散x射线的模拟射线跟踪。
17.图6示意性地示出了根据本文所述的某些实施方式的示例球形弯曲的johansson晶体分析器下游的分散x射线的模拟射线跟踪。
18.图7示意性地示出了根据本文所述的某些实施方式的示例球形弯曲的johann晶体分析器下游的分散x射线的模拟射线跟踪。
19.图8示出了钨(w)靶、铑(rh)靶和钼(mo)靶的模拟x射线光谱。
20.图9示意性地示出了根据本文所述的某些实施方式的用于各种靶的示例圆柱形弯曲的johansson晶体分析器下游的分散x射线的模拟射线跟踪。
21.图10示意性地示出了根据本文所述的某些实施方式的被配置用于xas测量的示例装置。
22.图11示意性地示出了根据本文所述的某些实施方式的被配置用于xas测量的另一示例装置。
23.图12示意性地示出了根据本文所述的某些实施方式的被配置用于xas测量的另一示例装置。
24.图13a示意性地示出了根据本文所述的某些实施方式的被配置为在x射线源和晶体分析器之间具有样品的示例装置的切面和矢状面。
25.图13b示意性地示出了根据本文所述的某些实施方式的被配置为在晶体分析器和空间分辨检测器之间具有样品的示例装置的切面和矢状面。
具体实施方式
26.对于使用实验室x射线源进行高质量和高吞吐量xas测量的xas系统，存在若干挑战。这些挑战主要源于实验室x射线源和现有的xas系统设计。与x射线源相关的挑战包括：
27.·
x射线源亮度低，从而导致测量时间长，
28.·
x射线源光斑尺寸大，使得需要在高布拉格角下工作的晶体分析器、源到晶体分析器的大距离，或其组合，
29.·
在扩展的x射线能量范围内存在狭窄的特征谱线，这对于xas测量是无用的，以及
30.·
为了最大限度地减少可能被晶体分析器反射的高次谐波，最大电子加速电压受到限制，从而减少对xas测量有用的x射线的产生。
31.与在高布拉格角下工作的晶体分析器相关联的问题包括使用具有过窄能量带宽的晶体分析器的高米勒指数晶面，由于晶体分析器的较高米勒指数晶面反射的高次谐波和/或晶体分析器的较低米勒指数晶面反射的低次谐波(n为分数整数)导致的光谱污染，每个晶体分析器的x射线调节x射线范围有限，以及在测量的x射线能量范围内样品上光束尺寸变化大。x射线能量的较高和/或较低谐波降低了xas测量的信噪比，并可能导致xas测量质量和吞吐量的显著降低。这些问题也对用于在透射模式xas测量中测量透射x射线的x射线检测器提出了挑战。
32.此外，若干问题会妨碍精确的x射线光谱测量，包括1)测量期间x射线源、晶体分析器和检测器之间相对位置的变化；2)晶体分析器的角度稳定性；以及3)测量期间x射线源的x射线光谱的变化。
33.本文所述的某些实施方式有利地规避了至少一些上述问题，以提供精确的x射线光谱测量。此外，本文描述的某些实施方式通过收集从x射线源发射的大立体角的x射线来实现更高的数据收集速度。
34.在20世纪70年代和80年代，由于认识到用于材料分析的x射线吸收光谱的能力和基于实验室的xas系统的便利性，学术团体开发了许多实验室xas系统。rigaku开发了若干商业实验室xas系统模型，但在一段时间前放弃了。大多数实验室xas系统使用电子轰击实验室x射线源、被设计成在罗兰圆几何结构中工作的圆柱形弯曲晶体以及单元素(例如点)x射线检测器(例如电离室或正比计数器)。xas光谱通常是通过逐点扫描x射线能量生成的。能量扫描是通过旋转弯曲的晶体，同时沿着罗兰圆移动晶体和检测器两者来实现的。
35.这样的常规实验室方法的缺点包括能量分辨率不足、xas数据质量差、测量时间长、与大照明面积相关联的严格样品制备要求、需要使用多个晶体来采集单个光谱以及标准操作的制造困难(例如，与沿罗兰圆移动沉重的旋转阳极x射线源和/或移动样品相关联的挑战——当感兴趣的样品放置在原位环境中时，这是困难的)。这些缺点，加上基于同步加速器x射线源的xas装置的可用性增加，导致了基于实验室的xas开发的衰落。
36.图1示意性地示出了两种类型的晶体分析器：johann晶体分析器(左)和johansson晶体分析器(右)。在早期的系统中，晶体是圆柱形弯曲的：一个维度是平的，另一个维度是弯曲的，就像圆柱体的一部分。johann型和johansson型晶体在展宽误差上有区别。对于johann型晶体，远离中心的晶体上的反射点位于罗兰圆外(见图1)，因此由晶体的网状面在这些非中心点反射的x射线聚焦在不同的点，引起几何形状产生的聚焦像差(例如johann误
差；也称为聚焦误差)。这些聚焦像差导致能量分辨率下降，这取决于布拉格角θb，并且可以由以下表达式表示：
[0037][0038]
其中，l是沿着罗兰圆的晶体尺寸(例如，宽度)，r是罗兰圆直径。这种关系意味着聚焦像差随着较低的布拉格角而快速增加，因此，在θb的余切小的情况下，要使用高布拉格角(通常大于70度)来执行高能量分辨率测量。相比之下，johansson晶体分析器不会受到johann聚焦像差的影响，因为晶体经过研磨，使得其表面与罗兰圆相匹配，并且johansson型晶体的所有点都与罗兰圆重合(见图1)。
[0039]
由华盛顿大学jerry seidler教授领导的小组开发的示例实验室xas系统基于常规实验室x射线源，该x射线源具有最近开发的商业可用x射线部件，包括球形弯曲(例如，双弯曲，而不是圆柱形弯曲的单曲率)的johann晶体分析器和硅漂移检测器。大布拉格角(例如，大于或等于55度)用于实现由johann聚焦误差引起的由晶体分析器反射的x射线的最小能量展宽，能量展宽δe由下式给出：
[0040]
δe＝e cotθbδw
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0041]
其中，e是x射线能量，δw是晶体看到的x射线源的角宽。高布拉格角的使用使得高能量分辨率成为可能(因为来自有限源光斑尺寸的源展宽和johann误差被最小化)。
[0042]
图2是对于8kev x射线作为布拉格角θb的函数的示例计算的能量展宽δe的曲线图，其中，x射线源光斑尺寸为400微米，罗兰圆直径(2r)为500毫米。角度贡献(δw)是x射线源光斑尺寸除以从x射线源到晶体的距离(相当于2
·r·
sinθb)。如图2所示，大的x射线源使用高布拉格角，在大于或等于73度的角度下，8kev x射线可获得2ev的能量分辨率。
[0043]
在高布拉格角下，通常使用高质量单晶材料(例如，si和ge)的高米勒指数衍射面，这导致若干个严重的缺点。高米勒指数晶体反射具有非常窄的达尔文宽度，这意味着晶体的能量带通显著小于大多数xas测量期望的x射线能量分辨率(例如，对于约2kev下的xanes为约0.5ev，对于xanes的较高能量吸收边为1ev至4ev)。因此，高米勒指数晶体充当过窄的能量过滤器，这导致有用源x射线的大量损失，从而浪费源x射线。此外，包括高次谐波的不期望的x射线可能被具有较高米勒指数晶面的晶体分析器反射，从而导致较低的xas光谱质量。
[0044]
使用高布拉格角的另一个主要缺点是使用多个晶体。在高布拉格角下每度晶体旋转的能量变化比在低布拉格角下小得多，从而导致每个晶体分析器的能量覆盖有限。因此，许多晶体分析器被用于覆盖工作能量范围。例如，对于30度的布拉格角和8kev x射线，晶体每旋转一度覆盖约236ev，而在85度时，晶体每旋转一度仅覆盖约12.4ev。因此，对于约100ev覆盖范围的测量，使用较低的布拉格角很容易满足覆盖范围，但在较高的布拉格角下则不然。这样的具有宽能量覆盖范围(例如，2kev到20kev)的系统可以处理元素周期表的大部分，由于使用不切实际的大量晶体，该系统将是笨重和昂贵的。此外，样品上的光束尺寸也随着x射线能量的变化而变化，在较高的布拉格角下比在较低的布拉格角下变化快得多，导致使用均质样品(例如，样品均匀性良好)，或对异质样品有较低的xas光谱质量。
[0045]
在20世纪70年代和80年代基于实验室的x射线系统中存在的关键挑战是会污染信号的谐波的存在。这样的早期的系统简单地使x射线源在小于最低高次谐波能量的电子加
速电压(例如kvp)下运行，以避免光谱污染。因为由电子轰击产生的轫致辐射x射线的量与加速电压成正比，所以加速电压的降低是以牺牲x射线源的效率为代价的。为了以更高的效率运行x射线源，seidler的团队使用硅漂移检测器(sdd)来避免xas光谱的谐波污染问题，但也引入了新的问题。首先，sdd有效面积的尺寸通常非常小，直径约为4至12mm，这比晶体分析器沿垂直于罗兰圆平面的方向反射的光束小得多，因此导致数据收集时间很长。sdd的使用也将他们的系统设计限制为使用球形弯曲的johann晶体分析器(sbca)，因为检测器的尺寸利用点对点聚焦。由于johann展宽误差，其系统被限制在高布拉格角下工作。sdd的另一个问题是，具有可接受线性度的最大计数率小于1000000/秒，这限制了它们在计数率较低的系统中的使用。
[0046]
本文公开的某些实施方式提供了一种实验室xas系统(例如，装置)，该实验室xas系统避免了上述先前实验室xas系统的至少一些问题，并且使实验室xas系统具有卓越的能力。
[0047]
在本文的描述中，罗兰圆的平面被称为切面，沿切面的方向被称为切线方向，垂直于切面的方向被称为矢状方向。
[0048]
对于某个厚度的给定样品，由每单位时间每单位能量带宽的x射线光子数给出的x射线信号可近似描述为：
[0049][0050]
其中，sd和ss分别是x射线源在切线方向和矢状方向上的x射线生成光斑尺寸(或检测器孔径的尺寸，取决于具体的系统设计)，b是x射线源的亮度(取决于x射线源的x射线生成光斑尺寸sd和ss)，t是穿过样品的x射线透射率，ωd和ωs分别是晶体分析器在切面和矢状方向上的收集角，r是晶体分析器的反射率(取决于晶体反射面的米勒指数和所用材料的选择)，d是检测器的检测效率，δe是系统的能量分辨率，m是同时测量的(能量)光谱模式的数量，它等于同时测量的能量范围除以δe。
[0051]
可以选择能量分辨率δe，以满足xas测量期望的能量分辨率。若干个因素影响能量分辨率δe，包括x射线束的几何展宽(由x射线源光斑尺寸和x射线源与晶体分析器之间的距离决定)、晶体的达尔文宽度、x射线对晶体的穿透以及孔径的有限尺寸，近似表示为：
[0052][0053]
其中，ωc是晶体的达尔文宽度，μ是特定x射线能量下样品的线性吸收系数。对于在xanes区域的xas测量，能量分辨率δe可以小于由于芯孔展宽引起的吸收边固有的辐射线宽。对于能量高于xanes区域的exafs光谱区中的xas测量，能量分辨率δe可以高于辐射线宽并高达10ev。
[0054]
本文所述的某些实施方式具有能量分辨率δe，对于具体的xas测量，其获得能量分辨率和测量速度之间的最佳平衡。如果能量分辨率太粗，就不能获得xas光谱的更精细的细节。然而，如果能量分辨率太细，由于采集光谱花费太长时间，以吞吐量损失的形式付出了相当大的代价，使得系统不实用。本文所述的某些实施方式提供了对x射线源光斑尺寸、功率负载、晶体选择和孔径开口的明智选择，以优化吞吐量和能量分辨率之间的折衷。
[0055]
图3是作为被分析样品中元素的原子序数的函数的x射线线能量和辐射线宽的图。
如图3所示，辐射线宽通常取决于x射线吸收边的能量。在本文描述的某些实施方式中，xas系统被配置为具有与适当的xas测量的期望的(例如，需要的)能量分辨率相匹配的能量分辨率。例如，基于具体的应用，可以为xanes光谱区域中的xas测量选择0.2x到1x的辐射线宽之间的能量分辨率。可以为exafs区域选择较粗的能量分辨率，以有效地使用源x射线来增加吞吐量。
[0056]
示例实施方式
[0057]
图4示意性地示出了根据本文所述的某些实施方式的示例装置100。装置100包括x射线源110，该x射线源100包括靶112，该靶112被配置为在被电子轰击时生成x射线114。装置100还包括晶体分析器120，该晶体分析器120相对于x射线源110定位在罗兰圆150上，罗兰圆150在切面中并且具有罗兰圆半径(r)。晶体分析器120包括沿着至少一个方向124弯曲的晶体原子面122，其曲率半径基本上等于罗兰圆半径的两倍(2r)。晶体原子面122被配置为接收来自x射线源110的x射线114，并且根据布拉格定律分散所接收的x射线(例如，分散的x射线126)。装置100还包括定位在距晶体分析器120的下游侧128距离(d)处的空间分辨检测器130，其中d小于或等于2r。空间分辨检测器130被配置为接收分散x射线126的至少一部分，空间分辨检测器130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132。多个x射线检测元件132被配置为测量具有低于第一x射线能量的x射线能量的所接收的分散x射线126，同时抑制对高于第一x射线能量的所接收的分散x射线126的测量，和/或测量具有高于第二x射线能量的x射线能量的所接收的分散x射线126，同时抑制对低于第二x射线能量的所接收的分散x射线126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。
[0058]
在某些实施方式中，罗兰圆150是与x射线114照射的晶体分析器120的表面中心相切的圆。在某些实施方式中，罗兰圆半径(r)在小于100毫米的范围内，在100毫米至200毫米的范围内，在200毫米至300毫米的范围内，在300毫米至500毫米的范围内，或者在500毫米至1000毫米的范围内。
[0059]
在某些实施方式中，装置100还包括至少一个载物台140，该载物台140被配置为将晶体分析器120相对于x射线源110定位在切面中的罗兰圆150上，其中晶体原子面122的弯曲方向124与切面对齐，并且将空间分辨检测器130定位在距晶体分析器120的下游侧128的距离(d)处。例如，至少一个载物台140可以包括被配置为调整晶体分析器120的位置(例如，沿着基本垂直的x、y和z方向)的至少一个线性运动载物台，以及被配置为调整晶体分析器120的取向(例如，以围绕主轴的基本垂直的俯仰角、偏转角、侧倾角)的至少一个旋转运动载物台。再例如，至少一个载物台140可以包括被配置为调整空间分辨检测器130的位置(例如，沿着基本垂直的x、y和z方向)的至少一个线性运动载物台，以及被配置为调整空间分辨检测器130的取向(例如，以围绕主轴的基本垂直的俯仰角、偏转角、侧倾角)的至少一个旋转运动载物台。
[0060]
在某些实施方式中，装置100还包括样品台160，该样品台160被配置为在x射线源110和晶体分析器120之间或在晶体分析器120和空间分辨检测器130之间定位样品162以进行分析。例如，样品台140可以包括被配置为调整样品162的位置(例如，沿着基本垂直的x、y和z方向)的至少一个线性运动子台，以及被配置为调整样品162的取向(例如，以围绕主轴的基本垂直的俯仰角、偏转角、侧倾角)的至少一个旋转运动子台。
[0061]
在某些实施方式中，晶体分析器120被配置为在低布拉格角(例如，在10度至60度的范围内；在10度至40度的范围内；在10度到30度的范围内)下工作。例如，弯曲的晶体原子面122可以包括具有低米勒指数(例如，si《111》；si《220》；ge《111》；ge《400》)的晶体原子面(例如，选自从硅、锗和石英构成的组的单晶材料的原子面)，并且沿着至少一个方向124弯曲(例如，受到机械变形以弯曲)以具有在100毫米至2000毫米范围内的曲率半径(2r)。在某些实施方式中，在低布拉格角下的弯曲的、低米勒指数的晶体原子面122可以有利地放松样品均匀性约束，因为在低布拉格角下，随着晶体分析器120旋转，样品162上对分析有贡献的x射线束尺寸的变化很小。
[0062]
在某些实施方式中，通过使用这样的弯曲的低米勒指数晶体原子面122，晶体分析器120可以具有根据待进行的x射线吸收光谱(xas)测量的预定光谱区域优化的能量分辨率。例如，能量分辨率可以被选择为待测量元素的辐射线宽的0.2至1倍(例如，参见图3)，也可以被选择为由于芯孔展宽导致的辐射线宽(对于峰值吸收边能量之前的边前光谱区域和x射线吸收近边结构(xanes)区域)，并且可以被选择为exafs区域的辐射线宽的1至5倍。晶体分析器120的这样的能量优化可以实现源x射线114的有效使用和快速的数据采集速度。
[0063]
在某些实施方式中，弯曲的低米勒指数晶体原子面122为晶体分析器120的每度旋转提供了大的能量变化，从而使晶体分析器120能够在xas测量的给定旋转角度范围内覆盖大的能量范围。在某些这样的实施方式中，少量的晶体分析器120可以用于大能量范围内的xas测量。例如，只需两个晶体分析器120，一个具有ge《111》晶体原子面122，另一个具有ge《200》晶体原子面，在10度到50度范围内的布拉格角工作，就足以在4kev到20kev的能量范围内进行xas测量。
[0064]
在某些实施方式中，弯曲的晶体原子面122的切面(例如，分散面)中的源x射线收集角(例如，效率)可以大于平坦晶体原子面，从而在切面中的罗兰圆150处产生会聚(例如，聚焦)x射线束。例如，对于聚焦在罗兰圆150上的x射线束126，可以使用单元素检测器。在某些实施方式中，可以在罗兰圆150上和检测器130的上游侧使用狭缝孔径来提高能量分辨率。例如，对于尺寸为50毫米到100毫米量级的晶体分析器120，可以在切面中生成约0.1弧度至0.3弧度的窄能量带宽的收集角，这可以比平坦晶体高两个数量级以上，对于平坦晶体，接收角由达尔文宽度决定(例如，在10微弧度至50微弧度的范围内)。在某些实施方式中，晶体原子面122也可以在矢状方向上弯曲(例如，变弯)，从而也增加了x射线126在矢状方向上的收集角。
[0065]
在某些实施方式中，装置100包括圆柱形弯曲(例如，变弯)的johansson晶体分析器120，对于给定的x射线能量，其可以在切线方向上提供大的x射线收集角，但在矢状方向上提供有限的x射线收集角。在某些其他实施方式中，装置100包括球形弯曲(例如，变弯)的johansson晶体分析器、球形弯曲(例如，变弯)的johann晶体分析器、圆柱形弯曲(例如，变弯)的johann晶体分析器或具有wittry几何形状的分析器。
[0066]
图5示意性地示出了根据本文所述的某些实施方式的示例圆柱形弯曲的johansson晶体分析器120下游的分散x射线126的模拟射线跟踪。图5的示例圆柱形弯曲的johansson晶体分析器120具有等于300毫米的罗兰圆半径r和等于600毫米的晶面弯曲半径2r，并且x射线源110被模拟为点源，该点源在切线方向
±
40毫弧度和矢状方向
±
48毫弧度的角度内发射x射线114，并且具有在8047ev到8054ev的范围内的一组x射线能量，图5中的
每个带对应于1ev的能带。横轴是平行于罗兰圆150的切线方向上的距离，纵轴是矢状方向上的距离。在最左边的图中，每个带对应于反射一种能量的x射线的晶体分析器120的表面积。中心带对应于能量为8048ev的x射线，其余带对应于能量高于8048ev的x射线。从中心条纹开始计数的每对带对应于x射线能量增加1ev。图5的其他图示出了分散的x射线126在相对于罗兰圆150的各个位置(例如，罗兰圆150内200毫米、罗兰圆150内50毫米、罗兰圆150内5毫米以及罗兰圆150上)的示例x射线光谱分布。
[0067]
如图5所示，示例圆柱形弯曲的johansson晶体分析器120可以在矢状方向上分散宽能量范围，并具有高能量x射线分散。分散的x射线126可以由检测器130测量，其中，至少一些检测元件132沿着矢状方向定位，以沿着矢状方向区分角度分散的x射线126(例如，沿着矢状方向具有多个检测器元件132的检测器130具有足够的空间分辨率，可以分辨光谱)。这样，装置100可以以足够高的能量分辨率测量有限x射线能量范围内的光谱。此外，当检测器130靠近晶体分析器120定位时(例如，在罗兰圆150内)，用于测量光谱的空间分辨率可以显著放宽。
[0068]
在某些实施方式中，一些或所有检测元件132具有至少一个能量阈值(例如，可调的第一x射线能量和第二x射线能量)以限定感兴趣的xas能量带宽(例如，50ev至5kev)，可以提高xas光谱的信噪比，既可以是通过抑制(例如，拒绝)高于感兴趣的xas能量带宽的x射线126的测量从而抑制(例如，拒绝)由晶体分析器120衍射的一个或多个谐波，和/或也可以通过抑制(例如，拒绝)荧光x射线来拒绝x射线能量低于感兴趣的xas能量带宽的x射线126。
[0069]
在某些实施方式中，装置100包括球形弯曲(例如，变弯)的johansson晶体分析器120，对于给定的x射线能量分辨率，与圆柱形弯曲的johansson晶体分析器120相比，该晶体分析器可以在切线方向上提供大的x射线收集角，并且在矢状方向上提供较大的x射线收集角。球形弯曲的johansson晶体分析器120可以在切线方向和矢状方向上分散x射线能量范围，并且分散的x射线126可以用具有多个检测元件132的检测器130测量，检测元件132被配置为沿着切线方向测量角度分散的x射线126，从而获得具有高能量分辨率的有限x射线能量范围上的光谱。
[0070]
图6示意性地示出了根据本文所述的某些实施方式的示例球形弯曲的johansson晶体分析器120下游的分散x射线126的模拟射线跟踪。图6的示例球形弯曲的johansson晶体分析器120具有等于300毫米的罗兰圆半径r和等于600毫米的晶面弯曲半径2r，并且x射线源110被模拟为点源，该点源在切线方向
±
40毫弧度和矢状方向
±
48毫弧度的角度内发射x射线114，并且具有在8045ev到8049ev的范围内一组x射线能量，图6中的每个带对应于1ev能带。横轴是平行于罗兰圆150的切线方向上的距离，纵轴是矢状方向上的距离。在最左边的图中，每个带对应于反射一种能量的x射线的晶体分析器120的表面积。中心带对应于能量为8048ev的x射线，其余带对应于能量小于8048ev的x射线。从中心条纹开始计数的每对带对应于x射线能量减少1ev。图6的其他图示出了分散的x射线126在相对于罗兰圆150的各个位置(例如，罗兰圆150内200毫米、罗兰圆150内50毫米、罗兰圆150内5毫米以及罗兰圆150上)的示例x射线光谱分布。
[0071]
如图6所示，分散的x射线126可以由检测器130测量，其中，至少一些检测元件132沿矢状方向定位，以沿矢状方向区分角度分散的x射线126(例如，沿着矢状方向具有多个检测器元件132的检测器130具有足够的空间分辨率，可以分辨光谱)。这样，装置100可以以足
够高的能量分辨率测量有限x射线能量范围内的光谱。此外，当检测器130靠近晶体分析器120定位时(例如，在罗兰圆150内)，用于测量光谱的空间分辨率可以显著放宽。
[0072]
在某些实施方式中，装置100包括球形弯曲(例如，变弯)的johann晶体分析器120，其可以在矢状方向上提供大的x射线收集角，但对于给定的x射线能量分辨率，在切线方向上提供有限的x射线收集角。球形弯曲的johann晶体分析器120可以在切线方向上分散x射线能量范围，并且分散的x射线126可以用具有多个检测元件132的检测器130测量，检测元件132被配置为沿着切线方向测量角度分散的x射线126，从而获得具有高能量分辨率的有限x射线能量范围上的光谱。
[0073]
图7示意性地示出了根据本文所述的某些实施方式的示例球形弯曲的johann晶体分析器120下游的分散x射线126的模拟射线跟踪。图7的示例球形弯曲的johann晶体分析器120具有等于300毫米的罗兰圆半径r和等于600毫米的晶面弯曲半径2r，并且x射线源110被模拟为点源，该点源在切线方向
±
40毫弧度和矢状方向
±
48毫弧度的角度内发射x射线114，并且具有在8028ev到8048ev的范围内的一组x射线能量，图7中的每个带对应于4ev的能带。横轴是平行于罗兰圆150的切线方向上的距离，纵轴是矢状方向上的距离。在最左边的图中，每个带对应于反射一种能量的x射线的晶体分析器120的表面积。中心带对应于能量为8048ev的x射线，其余带对应于能量小于8048ev的x射线。从中心条纹开始计数的每对带对应于x射线能量减少4ev。图7的其他图示出了分散的x射线126在相对于罗兰圆150的各个位置(例如，罗兰圆150内200毫米、罗兰圆150内50毫米、罗兰圆150内5毫米以及罗兰圆150上)的示例x射线光谱分布。
[0074]
如图7所示，分散的x射线126可以由检测器130测量，其中，至少一些检测元件132沿矢状方向定位，以沿矢状方向区分角度分散的x射线126(例如，沿着矢状方向具有多个检测器元件132的检测器130具有足够的空间分辨率，可以分辨光谱)。这样，装置100可以以足够高的能量分辨率测量有限x射线能量范围内的光谱。此外，当检测器130靠近晶体分析器120定位时(例如，在罗兰圆150内)，用于测量光谱的空间分辨率可以显著放宽。
[0075]
在某些实施方式中，装置100包括环形弯曲(例如，变弯)的johansson晶体分析器120，该晶体分析器与球形弯曲的johansson晶体分析器120类似，可以在切线方向提供大的x射线收集角，但对于给定的x射线能量分辨率，在矢状方向上提供比圆柱形弯曲的johansson晶体分析器120更大的x射线收集角。环形弯曲的johansson晶体分析器120可以在切线方向和矢状方向上分散x射线，并且分散的x射线126可以用具有多个检测元件132的检测器130测量，检测元件132被配置为沿着切线方向测量角度分散的x射线126，从而获得具有高能量分辨率的有限x射线能量范围上的光谱。
[0076]
在某些实施方式中，x射线源110包括高效(例如，高亮度)x射线源，该x射线源包括电子源和至少一个阳极靶112(例如，具有微米量级的尺寸)，该阳极靶112被配置为在受到来自电子源的电子轰击时生成x射线。靶112可以在导热基板(例如，包括金刚石)上或嵌入导热基板中，导热基板被配置为消散来自靶112的热能，该热能由靶112的电子轰击生成。靶112材料的示例包括但不限于cu、cr、fe、co、ni、zn、al、rh、mo、pd、ag、ta、au、w、sic、mgcl或其他金属或含金属的材料。与本文描述的某些实施方式兼容的x射线源110的示例由美国专利10,658,145、9,874,531、9,823,203、9,719,947、9,594,036、9,570,265、9,543,109、9,449,781、9,448,190和9,390,881公开，并通过援引以其全文并入本文。。
[0077]
在某些实施方式中，x射线源110可以包括多个具有不同材料的靶112，其被配置为在扩展的x射线能量范围内为xas测量提供连续(例如，平滑)的x射线能谱。某些这样的实施方式可以克服单靶材料x射线源110的限制，其中，来自单个靶112的合成x射线114的光谱包括扩展能量范围上的特征线，并且这些特征线不适合于xas测量。例如，图8示出了来自钨(w)靶112、铑(rh)靶112和钼(mo)靶112的模拟x射线光谱。在7.5kev和13kev之间的w靶112的特征线的存在使得来自w靶112的这个光谱区域不适合于xas测量。在某些实施方式中，包括w靶112以及rh靶112和mo靶112中的一个或两个的x射线源110可以通过使用1.5kev至7.5kev和13kev至20kev范围的w靶112以及使用7.5kev至14kev范围的rh靶112和/或mo靶112来提供1.5kev至20kev范围内的组合连续(例如平滑)能谱。虽然w对于x射线的产生更有效，其与靶材料的原子序数z和电子加速电压成正比，但是来自w靶112的x射线光谱中的特征线会污染7.5kev和14kev之间的光谱，因此rh和/或mo靶112可以替代用于该能量范围。
[0078]
在某些实施方式中，根据晶体分析器120的参数和特性，选择靶112的尺寸和形状以优化性能。例如，对于圆柱形弯曲的johansson晶体分析器120，x射线源110可以包括矩形(如线形)靶112，该靶具有第一尺寸(例如，宽度；在3微米到100微米的范围内)，其基本上沿着切线方向对齐，并且具有第二尺寸(例如，长度；在10微米至4毫米的范围内)，其基本上沿着矢状方向对齐。由于靶112的尺寸，用于获得给定的分数能量分辨率δe/e的第二尺寸与第一尺寸的比率可以近似等于(δe/e)-1/2
·
cot(θ)，其中，θ是布拉格角。再例如，对于球形弯曲的johann晶体分析器120或者对于球形弯曲的johansson晶体分析器120，由于靶112的尺寸，用于获得给定的分数能量分辨率δe/e的第二尺寸与第一尺寸的比率可以近似等于(δe/e)-1/2
·
cot(θ)
·
sin(θ)。x射线源光斑尺寸(例如，轰击靶112的电子束点的尺寸)是当从起飞角观察时的“表观”源尺寸，使得靶112上的电子足迹沿着一个轴被压缩(例如，表观源光斑尺寸是起飞角为6度时的电子足迹尺寸的十分之一)。
[0079]
图9示意性地示出了根据本文所述的某些实施方式，用于各种靶112的示例圆柱形弯曲的johansson晶体分析器120下游的分散x射线126的模拟射线跟踪。图9的示例圆柱形弯曲的johansson晶体分析器120具有等于300毫米的罗兰圆半径r和等于600毫米的晶面弯曲半径2r，并且x射线源110被模拟为在切线方向
±
40毫弧度和矢状方向
±
48毫弧度的角度内发射x射线114，并且具有在8048ev到8054ev的范围内的一组x射线能量，图9中的每个带对应于1ev能带。对于图9的靶112，基本上沿切线方向的第一尺寸是20微米，沿矢状方向的第二尺寸的一半在0(例如点源)、0.2毫米、1毫米和2毫米之间变化。横轴是平行于罗兰圆150的切线方向上的距离，纵轴是矢状方向上的距离。在点源的最上面的图中，每个带对应于反射一种能量的x射线的晶体分析器120的表面积。中心带对应于能量为8048ev的x射线，其余带对应于能量高于8048ev的x射线。从中心条纹开始计数的每对带对应于x射线能量增加1ev。对于靶112的x射线源光斑尺寸的其他尺寸的其他最上面的图，这些带不太明确，但是即使对于最大的模拟x射线源光斑尺寸也是可区分的，这表明仍然可以实现约1ev的能量分辨率。图9中的其他图示出了相对于罗兰圆150的两个不同位置处(例如，在罗兰圆150内5毫米处和罗兰圆150上)的x射线光谱分布。
[0080]
如图9所示，对于圆柱形弯曲的johansson晶体分析器120，与矢状方向基本对齐的靶112的第二尺寸远大于与切线方向基本对齐的靶112的第一尺寸。分散的x射线126可以由检测器130测量，其中，至少一些检测元件132沿着矢状方向定位，以沿着矢状方向区分角度
分散的x射线126(例如，沿着矢状方向具有多个检测器元件132的检测器130具有足够的空间分辨率，可以分辨光谱)。图9示出了沿着矢状方向的靶112的x射线源光斑尺寸可以增加，以增加x射线源功率并增加吞吐量，同时保持能量分辨率为期望值(例如，1ev)。例如，可以使用定位在罗兰圆150处的高分辨率二维检测器130，因为能带被更清楚地分开。对于具有高空间分辨率的检测器130，可以使用具有扩展的光斑尺寸和高功率的x射线源110。
[0081]
在某些实施方式中，x射线源110可以包括至少一个掠入射反射镜，其被配置为在矢状面内充分反射来自靶112的x射线114。例如，靶114可以发射x射线束114，其角度范围大于晶体分析器120的接受范围。可以放置一对掠入射平面镜(例如，在x射线束的每侧各一个)来反射将错过晶体分析器120的x射线束部分。所述至少一个掠入射反射镜可以被认为是定位在罗兰圆150附近的至少一个虚拟x射线源，并且可以用于在中心光谱采集的同时监测背景。
[0082]
在某些实施方式中，空间分辨检测器130选自：像素阵列光子计数检测器、直接转换电荷耦合器件(ccd)检测器(例如，被配置为在单光子检测模式下工作)、互补金属氧化物半导体(cmos)检测器(例如，被配置为在单光子检测模式下工作)和多个硅漂移检测器(例如，彼此靠近放置或彼此集成)。例如，空间分辨检测器130可以包括一维(1d)位置敏感检测器(例如条检测器)或二维(2d)位置敏感检测器。在某些实施方式中，具有足够空间分辨率的二维(2d)空间分辨检测器130可以与大的x射线源光斑尺寸一起使用，以实现足够高的能量分辨率。虽然图4示意性地示出了空间分辨检测器130至少部分定位在罗兰圆150内的示例实施方式，但是在某些其他实施方式中，空间分辨检测器130至少部分定位在罗兰圆150上或者至少部分定位在罗兰圆150外。
[0083]
在某些实施方式中，空间分辨检测器130的检测元件132(例如，像素；完备的检测器)具有至少一维的空间尺寸，其被配置为提供预定能量分辨率(例如，在0.2ev到3ev的范围内)和预定能量范围(例如，在3ev到200ev的范围内)。例如，每个检测元件132可以具有沿着切线方向在3微米至200微米范围内的尺寸，以及沿着矢状方向在3微米至5000微米范围内的尺寸。在某些实施方式中，检测元件132在空间上彼此分开，使得每个检测元件132对应于检测器130处的分散x射线126的小于3ev(例如，在0.5ev至3ev的范围内)的光束发散度(例如，对于xanes测量)，或者可以对应于检测器130处的分散x射线126的小于10ev(例如，在1ev至10ev的范围内)的光束发散度(例如，exafs测量)。例如，为了实现高吞吐量，装置100被配置为利用x射线光谱，该x射线光谱具有由检测器130覆盖的宽度，同时具有由检测器130同时测量的m个光谱模式(例如，能带)，其中，m由检测器130处的光谱覆盖除以每个检测元件132的能量带宽给出。例如，对于检测器130处200ev的光谱覆盖和每个检测元件132 2ev的能量带宽，m等于100。在某些实施方式中，检测元件132在计数率超过每秒106光子时具有线性(大多数硅漂移检测器的线性仅为每秒50万光子)。
[0084]
在某些实施方式中，空间分辨检测器130被配置为测量来自晶体分析器120的分散x射线126的分布。例如，对于圆柱形弯曲的johansson晶体分析器120，检测元件132可以被配置为测量沿着矢状方向的角度分散的x射线126。再例如，对于球形弯曲的johann晶体分析器120，检测元件132可以被配置为测量沿着切线方向的角度分散的x射线126。再例如，对于球形弯曲的johann晶体分析器120，至少一些检测元件132可以被配置为测量沿着切线方向的角度分散的x射线126。在该示例中，每个检测器元件132的尺寸可以很小，检测器元件
在切线方向(d1)上的尺寸表示为：2
·r·
sin(θ)
·
δe/e≥cot(θ)
·
d1，并且靶112上x射线源光斑沿矢状方向的尺寸(s2)表示为：2
·r·
sin(θ)
·
(δe/e)
1/2
≥s2，其中，r是罗兰圆半径，θ是布拉格角。在某些实施方式中，检测器130的中心定位在罗兰圆150上。检测元件132沿矢状方向(d2)的尺寸可以小于s2。
[0085]
在某些实施方式中，检测元件132具有至少一个可调能量阈值(例如，由装置100的用户选择或由基于计算机的控制器自动选择的)，以抑制(例如，拒绝)感兴趣的能量范围之外的会降低xas测量的x射线。例如，高次谐波会在测量谱中生成10％的背景信号贡献，这会将吞吐量降低约3倍。在某些实施方式中，检测元件132被配置为测量具有低于可调的第一x射线能量的x射线能量的x射线126，同时抑制高于可调的第一x射线能量的x射线126的测量。以这种方式，检测元件132可以抑制(例如，拒绝)由晶体分析器120衍射的高次谐波，从而提高测量的xas光谱的质量。抑制较高能量x射线的测量的另一个好处是x射线源110可以在较高的加速电压下工作，以获得较高的x射线通量和吞吐量。再例如，满足布拉格定律的低能量x射线(例如，从晶体分析器120反射的x射线；来自样本162的荧光x射线)可以被检测器130接收，并且可以对背景信号有贡献。在某些实施方式中，检测元件132被配置为测量具有高于可调的第二x射线能量的x射线能量的x射线126，同时抑制低于可调的第二x射线能量的x射线126的测量。这样，检测元件132可以抑制(例如，拒绝)对背景信号有贡献的低能量x射线，并提供高质量的xas光谱。在某些实施方式中，检测元件132具有可调的第一x射线能量和可调的第二x射线能量。
[0086]
在某些实施方式中，检测器130包括晶体分析器120和检测元件132之间的孔径。例如，孔径可以(例如，由装置100的用户；通过基于计算机的控制器)被配置为具有可调整的尺寸来可控地调整检测器130的能量分辨率。再例如，孔径的结构(例如，有开口的图案)可以使得由检测器130接收的x射线126的形状确保罗兰圆150上的部件居中。在某些实施方式中，其中，检测元件132具有大的尺寸，并且靶112上的x射线源光斑的切线方向的尺寸大，检测元件132前面的小孔径可以用于实现小的检测器尺寸。
[0087]
在某些实施方式中，与传统xas系统相比，装置100用于以改进的方式测量透射模式xas光谱。例如，使用传统xas系统，可以通过在覆盖xas测量期望的x射线能量范围的角度范围内扫描晶体分析器的角度来执行完整的透射模式xas测量(例如，xanes测量为50-100ev；exafs测量值为300-1000ev)。相反，根据本文描述的某些实施方式，可以通过同时收集能量范围彼此部分重叠的多个窄光谱(例如，每个都比xas测量的期望能量范围窄的有限能量范围)来进行xas测量。这些多重光谱可以被归一化并适当地组合在一起以形成完整的xas测量。在某些实施方式中，收集具有重叠能量范围的多个光谱可以用于最小化以重叠能量范围收集的两个光谱之间的x射线源强度波动。
[0088]
再例如，装置100可以用于提供比传统exafs系统分辨率更高的exafs光谱。根据本文所述的某些实施方式，可以在边前区域和xanes光谱区域中以等于或好于辐射线宽的能量分辨率收集xas光谱(例如，通过选择晶体分析器120的材料和晶体原子面112的米勒指数以获得更高的能量分辨率)，并且在全exafs光谱区域中(例如，在远离吸收边的光谱区域中)以更粗的能量分辨率(例如，3-10ev)但更高的x射线通量收集。光谱的完整exafs的光谱区域可以由边前区域和xanes区域代替，通过适当的强度归一化和拼接来生成光谱。
[0089]
图10示意性地示出了根据本文所述的某些实施方式的配置用于xas测量的示例装
置100。在某些这样的实施方式中，装置100包括x射线源110、圆柱形弯曲的johansson晶体分析器120和空间分辨检测器130，x射线源110包括在切线方向上具有小x射线源光斑尺寸的靶112，空间分辨检测器130具有在切线方向和矢状方向中的至少一个方向上进行空间分辨的多个检测元件132。x射线源110的靶112可以具有线性形状(例如，沿着切线方向的尺寸在3微米到50微米的范围内，沿着矢状方向的尺寸在20微米至4000微米的范围内)，并且x射线源110可以包括多种靶材料。圆柱形弯曲的johansson晶体分析器120可以包括si、ge或石英的单晶，可以在低布拉格角(例如，在15度至40度的范围内)下使用，可以具有在50毫米到1000毫米范围内的罗兰圆半径r，并且可以在切线方向和矢状方向上具有小于或等于100毫米的晶体尺寸。空间分辨检测器130可以是一维(1d)或二维(2d)的，并且包括沿矢状方向的至少一些检测元件132。检测元件132可以具有至少一个能量阈值，以抑制(例如，拒绝)能量高于或低于xas测量x射线能量范围的x射线。
[0090]
图10还示意性地示出了以下两个不同位置的空间分辨检测器130的圆柱形弯曲的johansson晶体分析器120下游的分散x射线126的模拟射线跟踪：(a)在罗兰圆150上(对于点源靶112和椭圆源靶112)，以及(b)在罗兰圆150内50毫米处。圆柱形弯曲的johansson晶体分析器120如图5所示(罗兰圆半径r等于300毫米，晶面弯曲半径2r等于600毫米)，并且具有在8047ev到8054ev的范围内的一组x射线能量，图10中的每个带对应于1ev的能带，中心带对应于能量为8048ev的x射线。图10的三个图中的横轴是平行于罗兰圆150的切线方向上的距离，纵轴是矢状方向上的距离，尺寸以毫米为单位。如图10所示，x射线能量发散沿着矢状方向，这是空间分辨检测器130的长度尺寸。通过使用足够小尺寸的检测元件132实现亚ev分辨率。对于椭圆源，定位在罗兰圆150处的空间分辨检测器130可以是二维的(2d)，定位在罗兰圆150内的空间分辨检测器130可以是一维的(1d)。
[0091]
在某些实施方式中，图10的装置100(包括圆柱形弯曲的johansson晶体分析器120)被配置为通过满足以下条件实现(δe/e)-1
的给定能量分辨率：2
·r·
sin(θ)
·
δe/e≥cot(θ)
·
s1和2
·r·
sin(θ)
·
(δe/e)
1/2
≥s2，其中，r是罗兰圆半径，θ是布拉格角，s1和s2分别是靶112沿切线方向和矢状方向的x射线源光斑尺寸。圆柱形弯曲的johansson晶体分析器120沿着矢状方向的宽度可以等于n
·
s2，并且圆柱形弯曲的johansson晶体分析器120可以被配置为沿着矢状方向在约等于能量分辨率δe的n倍的x射线能量范围内接收和分散x射线126(例如，n在2到100的范围内)。沿着矢状方向的检测元件132的数量可以等于或大于n。空间分辨检测器130可以定位在晶体分析器120的下游(例如，与晶体分析器120的下游侧相距距离d，距离d在小于2r的范围内(例如，罗兰圆半径r的两倍)。对于定位在罗兰圆150处的空间分辨检测器130，检测元件132在切面中的尺寸可以是相当的(例如，为了更好的信噪比)或者可以大于s1(由于测量的杂散x射线，信噪比可能更低)。对于大于s1的检测元件132，空间分辨检测器130可以在空间分辨检测器130的上游侧(例如，在晶体分析器120和检测元件132之间)包括狭缝孔径，以抑制(例如，拒绝；减少)被测量的杂散x射线的数量。
[0092]
图11示意性地示出了根据本文所述的某些实施方式的配置用于xas测量的另一示例装置100。在某些这样的实施方式中，装置100包括x射线源110、圆柱形弯曲的johansson晶体分析器120和空间分辨检测器130，x射线源110包括在切线方向上具有大的x射线光斑尺寸的靶112，空间分辨检测器130具有至少在矢状方向上进行空间分辨的多个检测元件
132(例如2至2000个)。x射线源110的靶112可以具有线性形状(例如，沿着切线方向的尺寸在3微米到50微米的范围内，沿着矢状方向的尺寸在20微米至4000微米的范围内)，并且x射线源110可以包括多种靶材料。圆柱形弯曲的johansson晶体分析器120可以包括si、ge或石英的单晶，可以在低布拉格角(例如，在15度至40度的范围内)下使用，可以具有在50毫米到1000毫米范围内的罗兰圆半径r，并且可以在切线方向和矢状方向上具有小于或等于100毫米的晶体尺寸。空间分辨检测器130可以是一维(1d)或二维(2d)的，并且包括沿矢状方向的至少一些检测元件132。检测元件132可以具有至少一个能量阈值，以抑制(例如，拒绝)能量高于或低于xas测量x射线能量范围的x射线。
[0093]
在某些实施方式中，图11的装置100(包括圆柱形弯曲的johansson晶体分析器120)被配置为通过满足以下条件实现(δe/e)-1
的给定能量分辨率：2
·r·
sin(θ)
·
δe/e≥cot(θ)
·
d1和2
·r·
sin(θ)
·
(δe/e)
1/2
≥s2，其中，r是罗兰圆半径，θ是布拉格角，d1是检测元件132沿切线方向的尺寸，s2是靶112上x射线源光斑沿矢状方向的尺寸。圆柱形弯曲的johansson晶体分析器120沿着矢状方向的宽度可以等于n
·
s2，并且圆柱形弯曲的johansson晶体分析器120可以被配置为沿着矢状方向在约等于能量分辨率δe的n倍的x射线能量范围内接收和分散x射线126(例如，n在2到100的范围内)。沿着矢状方向的检测元件132的数量可以等于或大于n。空间分辨检测器130可以定位在晶体分析器120的下游(例如，与晶体分析器120的下游侧相距距离d，距离d在小于2r的范围内(例如，罗兰圆半径r的两倍)。对于中心定位在罗兰圆150的空间分辨检测器130，检测元件132沿矢状方向的尺寸d2可以小于s2。对于d1大于2
·r·
sin(θ)
·
δe/e/cot(θ)的检测元件132，空间分辨检测器130可以包括定位在空间分辨检测器130上游侧(例如，在晶体分析器120和检测元件132之间)的狭缝孔径，并且具有沿着矢状方向对齐的狭缝孔径的长度尺寸，以抑制(例如，拒绝；减少)被测量的杂散x射线的数量。
[0094]
在某些实施方式中，装置100包括x射线源110、球形弯曲的johansson晶体分析器120和空间分辨检测器130，x射线源110包括在切线方向上具有小x射线光斑尺寸的靶112，空间分辨检测器130具有至少在矢状方向上进行空间分辨的多个检测元件132(例如，2至2000个)。x射线源110的靶112沿切线方向的尺寸在3微米至50微米的范围内，沿矢状方向的尺寸在20微米至1000微米的范围内，并且x射线源110可以包括多种靶材料。球形弯曲的johansson晶体分析器120可以包括si、ge或石英的单晶，可以具有50毫米至1000毫米范围内的罗兰圆半径r，并且可以具有在切线方向和矢状方向上都小于或等于100毫米的晶体尺寸。空间分辨检测器130可以是一维(1d)或二维(2d)的，并且包括沿矢状方向的至少一些检测元件132。检测元件132可以具有至少一个能量阈值，以抑制(例如，拒绝)能量高于或低于xas测量x射线能量范围的x射线。
[0095]
在某些实施方式中，包括球形弯曲的johansson晶体分析器120的装置100被配置为通过满足以下条件实现(δe/e)-1
的给定能量分辨率：2
·r·
sin(θ)
·
δe/e≤cot(θ)
·
s1和2
·r·
sin2(θ)
·
(δe/e)
1/2
≥s2，其中，r是罗兰圆半径，θ是布拉格角，s1和s2分别是靶112上的x射线源光斑沿切线方向和矢状方向的尺寸。空间分辨检测器130可以定位在晶体分析器120的下游(例如，距离晶体分析器120的下游侧距离d，距离d在小于2r的范围内(例如，罗兰圆半径r的两倍)。检测元件132可以被配置为测量由空间分辨检测器130沿着切线方向接收的分散x射线126。在某些实施方式中，空间分辨检测器130是定位在晶体分析器
120附近(例如，在罗兰圆150内)的一维(1d)位置敏感检测器，检测元件132沿切线方向对齐，而在某些其他实施方式中，空间分辨检测器130是定位在罗兰圆150附近(例如，在罗兰圆150上)的二维(2d)位置敏感检测器。
[0096]
图12示意性地示出了根据本文所述的某些实施方式的配置用于xas测量的另一示例装置100。在某些这样的实施方式中，装置100包括x射线源110、球形弯曲的johann晶体分析器120和具有多个检测元件132的空间分辨检测器130。图12还示意性地示出了以下两个不同位置的空间分辨检测器130的球形弯曲的johann晶体分析器120下游的分散x射线126的模拟射线跟踪：(a)在罗兰圆150上，以及(b)在罗兰圆150内200毫米处。球形弯曲的johann晶体分析器120具有等于300毫米的罗兰圆半径r和等于600毫米的晶面弯曲半径2r。图12中带的一组x射线能量在8028ev到8052ev的范围内，图12中的每个带对应于1ev能带，而中心带对应于能量为8048ev的x射线。对于定位在罗兰圆150上的空间分辨检测器130，x射线能量范围的分散仅超过约400微米，并且会发生光谱模糊，这降低了测量的xas光谱的能量分辨率。对于定位在罗兰圆内200毫米处的空间分辨检测器130，对应的x射线能量分散延伸超过几毫米，并且可以使用像素化检测器来分辨。在某些实施方式中，通过将空间分辨检测器130放置在离罗兰圆150上的焦点足够远的地方(例如，在罗兰圆150内或者在罗兰圆150外)来实现能量分散。
[0097]
在某些实施方式中，照射样品162的x射线能量可以根据样品162的位置而改变。图13a示意性地示出了根据本文描述的某些实施方式的示例装置100的切面和矢状面，该示例装置100被配置为在x射线源110和晶体分析器120之间具有样品162。图13b示意性地示出了根据本文描述的某些实施方式的示例装置100的切面和矢状面，该示例装置100被配置为在晶体分析器120和空间分辨检测器130之间具有样品162。对于图13a和图13b的示例装置100，空间分辨检测器130的检测元件132可以测量对应于样品162的相应区域的x射线吸收。在某些实施方式中，通过在足够大的范围内扫描x射线能量，可以获得样本162的光谱图像(例如，x射线成像光谱)。
[0098]
尽管为便于理解，使用常用术语来描述了某些实施方式的系统和方法，但这些术语在本文中具有最广泛的合理解释。尽管关于说明性示例和实施方式描述了本公开的各个方面，但是所公开的示例和实施方式不应被解释为限制性的。例如“可以”、“可能”等条件语言，除非另有具体说明，或者在所使用的上下文中另有理解，通常意在传达某些实施方式包括某些特征、元素和/或步骤，而其他实施方式不包括这些特征、元素和/或步骤。因此，这样的条件语言通常不旨在暗示特征、元素和/或步骤对于一个或多个实施方式是以任何方式必需的。特别地，术语“包括”和“包含”应被解释为以非排他的方式指代元素、部件或步骤，表示所引用的元素、部件或步骤可以存在、被利用或与没有明确引用的其他元素、部件或步骤相组合。
[0099]
除非另有明确说明，否则例如短语“x、y和z中的至少一个等”连接语言应在通常用于表达项目、术语等的上下文中理解，可以是x、y或z。因此，这样的连接语言通常不旨在暗示某些实施方式需要存在x中的至少一个、y中的至少一个和z中的至少一个。
[0100]
本文所用的例如术语“近似”、“约”、“通常”和“基本上”等程度语言表示接近所述值、量或特性且仍能实现期望功能或达到期望结果的值、量或特性。例如，术语“近似”、“约”、“通常”和“基本上”可以指在所述量的
±
10％以内、
±
5％以内、
±
2％以内、
±
1％以内
或
±
0.1％以内的量。作为另一个示例，术语“大致平行”和“基本平行”是指偏离完全平行
±
10度、
±
5度、
±
2度、
±
1度或
±
0.1度的值、量或特性，而术语“大致垂直”和“基本垂直”是指偏离完全垂直
±
10度、
±
5度、
±
2度、
±
1度或
±
0.1度的值、量或特性。本文公开的范围还包括任何和所有重叠、子范围及其组合。例如“高达”、“至少”、“大于”、“小于”、“在
……
之间”等的语言包括所列举的数字。如本文所用，“一”、“一个”和“所述”的含义包括复数，除非上下文另有明确规定。虽然本文根据由序数形容词(例如，第一、第二等)标记的元素来讨论结构和/或方法)，序数形容词仅用作将一个元素与另一个元素区分开的标签，并且序数形容词不用于表示这些元素的顺序或其使用的顺序。
[0101]
上文已描述了各种配置。应理解，本文公开的实施方式并不相互排斥，并且可以以各种布置彼此组合。尽管已经参考这些具体的配置描述了本发明，但是这些描述旨在说明本发明，而不旨在加以限制。在不脱离本发明的真实精神和范围的情况下，本领域技术人员可以想到各种修改和应用。因此，例如，在本文公开的任何方法或过程中，组成方法/过程的动作或工作可以以任何适合的顺序执行，并且不必限于任何特定的所公开的顺序。来自上面讨论的各种实施方式和示例的特征或元素可以彼此组合，以产生与本文公开的实施方式兼容的替代配置。已经在适当的地方描述了实施方式的各个方面和优点。应理解，根据任何特定的实施方式，不一定可以实现所有这些方面或优点。因此，例如，应认识到，可以以实现或优化本文教导的一个优点或一组优点的方式来实施各种实施方式，而不必实现本文教导或建议的其他方面或优点。