DE112019004433T5

DE112019004433T5 - System und verfahren für röntgenstrahlfluoreszenz mit filterung

Info

Publication number: DE112019004433T5
Application number: DE112019004433.8T
Authority: DE
Inventors: Wenbing Yun; Janos Kirz; Benjamin Donald Stripe; Jia Yun Lewis Sylvia
Original assignee: Sigray Inc
Current assignee: Sigray Inc
Priority date: 2018-09-04
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2021-05-20
Also published as: US20200072770A1; CN112638261A; WO2020051061A1; US10962491B2

Abstract

Ein optischer Röntgenfilter beinhaltet mindestens einen optischen Röntgenspiegel, der dazu konfiguriert ist, mehrere Röntgenstrahlen mit einem ersten Röntgenspektrum mit einer ersten Intensität als Funktion der Energie in einem vorbestimmten Raumwinkelbereich zu empfangen und mindestens einen Teil der empfangenen Röntgenstrahlen durch Mehrschichtreflexion oder totale externe Reflexion in reflektierte Röntgenstrahlen und nicht reflektierte Röntgenstrahlen zu trennen und einen Röntgenstrahl zu bilden, der mindestens einen Teil der reflektierten Röntgenstrahlen und/oder mindestens einige der nicht reflektierten Röntgenstrahlen beinhaltet. Der Röntgenstrahl weist ein zweites Röntgenspektrum mit einer zweiten Intensität als Funktion der Energie im Raumwinkelbereich auf, wobei die zweite Intensität größer oder gleich 50 % der ersten Intensität über einen ersten kontinuierlichen Energiebereich mit einer Breite von mindestens 3 keV ist und die zweite Intensität kleiner oder gleich 10 % der ersten Intensität über einen zweiten kontinuierlichen Energiebereich mit einer Breite von mindestens 100 eV ist.

Description

PRIORITÄTSANSPRUCH
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der Priorität gegenüber der vorläufigen US-Anmeldung mit der Nr. 62/726,776 , eingereicht am 4. September 2018, und der vorläufigen US-Anmeldung mit der Nr. 62/794,281 , eingereicht am 18. Januar 2019, von denen jede in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Gebiet
Diese Anmeldung betrifft im Allgemeinen laborbasierte Röntgenfluoreszenzanalysesysteme und -verfahren.
Beschreibung der verwandten Technik
Bei der Röntgenfluoreszenzanalyse (X-Ray Fluorescence - XRF) unter Verwendung von Laborröntgenquellen ist der Hintergrundbeitrag aufgrund der elastischen und unelastischen (Compton-)Streuung der einfallenden Röntgenstrahlen, die den Röntgendetektor erreichen und von diesem detektiert werden, eine wesentliche Einschränkung bei der Detektion und Quantifizierung von Spurenelementen. Dieser Hintergrundbeitrag erstreckt sich über einen Energiebereich, der sich mit den Energien der interessierenden Röntgenfluoreszenzlinien überlappt, und ist eine wichtige Rauschquelle, die das Signal-Rausch-Verhältnis des Röntgendetektors verringert.
In einigen herkömmlichen XRF-Systemen wird dieser Hintergrundbeitrag verringert, indem der einfallende Röntgenstrahl durch einen oder mehrere dünne Folienfilter durchgelassen wird, um die auf die Probe einfallenden Röntgenstrahlen in dem Energiebereich der interessierenden Röntgenfluoreszenzlinien zu dämpfen. Solche Durchlassfilter neigen jedoch dazu, nur über einen relativ schmalen Energiebereich unmittelbar über der Absorptionskante des Filtermaterials wirksam zu sein. Zusätzlich dämpfen solche Durchlassfilter auch die Bremsstrahlung-Röntgenstrahlen mit höherer Energie beim Erreichen der Probe und beim Anregen der Röntgenfluoreszenzlinien, wodurch das gewünschte Röntgenfluoreszenzsignal verringert wird. Bei anderen herkömmlichen XRF-Systemen wird der Hintergrundbeitrag aus dem einfallenden Röntgenenergiespektrum gefiltert, indem der einfallende Röntgenstrahl von einer mehrschichtbeschichteten Oberfläche (z. B. Spiegel; Monochromator), die Röntgenstrahlen innerhalb eines entsprechenden Energiebereichs selektiv reflektiert und Röntgenstrahlen außerhalb des entsprechenden Energiebereichs durchlässt, reflektiert wird. Die reflektierten Röntgenstrahlen werden gerichtet, um die Probe zu beleuchten, während sich durchgelassene Röntgenstrahlen von der Probe und dem Röntgendetektor weg ausbreiten.
KURZDARSTELLUNG
In einem hierin offenbarten Aspekt umfasst ein optisches Röntgenfilter mindestens einen optischen Röntgenspiegel. Der mindestens eine optische Röntgenspiegel ist dazu konfiguriert, mehrere Röntgenstrahlen mit einem ersten Röntgenspektrum mit einer ersten Intensität als Funktion der Energie in einem vorbestimmten Raumwinkelbereich zu empfangen und mindestens einen Teil der empfangenen Röntgenstrahlen durch Mehrschichtreflexion oder totale externe Reflexion in reflektierte Röntgenstrahlen und nicht reflektierte Röntgenstrahlen zu trennen und einen Röntgenstrahl zu bilden, der mindestens einige der reflektierten Röntgenstrahlen und/oder mindestens einige der nicht reflektierten Röntgenstrahlen umfasst. Der Röntgenstrahl weist ein zweites Röntgenspektrum mit einer zweiten Intensität als Funktion der Energie im Raumwinkelbereich auf, wobei die zweite Intensität größer oder gleich 50 % der ersten Intensität über einen ersten kontinuierlichen Energiebereich mit einer Breite von mindestens 3 keV ist und die zweite Intensität kleiner oder gleich 10 % der ersten Intensität über einen zweiten kontinuierlichen Energiebereich mit einer Breite von mindestens 100 eV ist.
In einem anderen hierin offenbarten Aspekt wird ein Verfahren zum Durchführen einer Röntgenfluoreszenzanalyse bereitgestellt. Das Verfahren umfasst Empfangen von Röntgenstrahlen mit einem ersten Energiespektrum und einer ersten räumlichen Verteilung. Das Verfahren umfasst ferner Reflektieren mindestens einiger der empfangenen Röntgenstrahlen, wobei die reflektierten Röntgenstrahlen ein zweites Energiespektrum und eine zweite räumliche Verteilung aufweisen. Das Verfahren umfasst ferner Trennen der reflektierten Röntgenstrahlen durch Mehrschichtreflexion und/oder totale externe Reflexion in einen ersten Teil, der auf eine Probe auftrifft, und einen zweiten Teil mit einem vorbestimmten Bereich von Röntgenenergien, wobei der erste Teil ein drittes Energiespektrum aufweist, das im Vergleich zu dem zweiten Energiespektrum in dem vorbestimmten Bereich von Röntgenenergien eine verringerte Intensität aufweist.
In einem anderen hierin offenbarten Aspekt umfasst ein Röntgensystem mindestens einen ersten optischen Röntgenspiegel, der dazu konfiguriert ist, mindestens einen Teil eines ersten Röntgenstrahls mit einem ersten Energiespektrum zu empfangen und mindestens einige der Röntgenstrahlen des Teils des ersten Röntgenstrahls zu reflektieren, um einen zweiten Röntgenstrahl zu bilden. Das Röntgensystem umfasst ferner mindestens einen zweiten optischen Röntgenspiegel, der mindestens eine Mosaikkristallschicht, mindestens einen tiefengradierten Mehrfachschichtreflektor und/oder mindestens einen Streiflichtspiegel umfasst. Der mindestens eine zweite optische Röntgenspiegel ist dazu konfiguriert, mindestens einige der Röntgenstrahlen von dem mindestens einen ersten optischen Röntgenspiegel zu empfangen, einen zweiten Röntgenstrahl, umfassend einen durchgelassenen Teil der Röntgenstrahlen, die von dem mindestens einen ersten optischen Röntgenspiegel empfangen wurden, durchzulassen und um einen reflektierten Teil der Röntgenstrahlen, die von dem mindestens einen ersten optischen Röntgenspiegel empfangen wurden, zu reflektieren. Der zweite Röntgenstrahl weist ein zweites Energiespektrum mit einer im Vergleich zu dem ersten Energiespektrum verringerten Intensität in einem vorbestimmten Bereich von Röntgenenergien auf.
In einem anderen hierin offenbarten Aspekt umfasst ein Röntgensystem mindestens eine Röntgenquelle, die dazu konfiguriert ist, Röntgenstrahlen zu erzeugen. Das Röntgensystem umfasst ferner mindestens ein optisches Röntgenelement, das dazu konfiguriert ist, mindestens einige der Röntgenstrahlen von der mindestens einen Röntgenquelle zu empfangen und zu fokussieren. Das mindestens eine optische Röntgenelement umfasst mindestens ein Substrat, umfassend eine Oberfläche und mindestens eine tiefengradierte Mehrfachschichtbeschichtung auf der Oberfläche. Die mindestens eine tiefengradierte Mehrfachschichtbeschichtung ist dazu konfiguriert, Röntgenstrahlen mit Energien in einem ersten Energiebereich im Wesentlichen zu reflektieren und Röntgenstrahlen mit Energien in einem zweiten Energiebereich, der sich mit dem ersten Energiebereich nicht überschneidet, im Wesentlichen nicht zu reflektieren.
Figurenliste

1 zeigt Beispiele von biologisch wichtigen Elementen, die unter Verwendung von harten Röntgenstrahlen gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen nachweisbar sind (von M.J. Pushie et al., „Elemental and chemically specific x-ray fluorescence imaging of biological systems", Chemical Reviews 114:17 (2014): 8499-8541).
2A-2D veranschaulichen schematisch verschiedene beispielhafte optische Röntgensysteme gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
3A veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes optisches Röntgensystem gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
3B veranschaulicht schematisch ein Beispiel mindestens eines Substrats des optischen Röntgenfokussierungselements aus 3A gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
3C veranschaulicht schematisch ein Beispiel mindestens einer Schicht des optischen Röntgenfokussierungselements aus 3A gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
4A veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes idealisiertes Röntgenspektrum einer Elektronenstoß-Röntgenquelle in einem vorbestimmten Raumwinkelbereich mit einem idealisierten herkömmlichen foliengefilterten Au-Zielspektrum in dem Raumwinkelbereich.
4B veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes idealisiertes Röntgenspektrum einer Elektronenstoß-Röntgenquelle in einem vorbestimmten Raumwinkelbereich mit einem idealisierten „sperrgefilterten“ Au-Zielröntgenspektrum in dem Raumwinkelbereich gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
5A zeigt zwei beispielhafte Röntgenspektren, die von dem stromabwärtigen Ende eines ellipsenförmigen Teils eines optischen Röntgenfokussierungselements mit einem Einfallswinkel von 16,7 mrad (0,93 Grad) für 4,5 nm bzw. 3 nm d-Abstände reflektiert werden, gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
5B zeigt zwei beispielhafte Röntgenspektren, die von dem stromaufwärtigen Ende eines ellipsenförmigen Teils eines optischen Röntgenfokussierungselements mit einem Einfallswinkel von 12,5 mrad (0,72 Grad) für 4,5 nm bzw. 3 nm d-Abstände reflektiert werden, gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
6 zeigt eine Tabelle der Röntgenfluoreszenzquerschnitte der K-Linie von Fe, Cu und Zn bei vier Röntgenanregungsenergien gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
7 zeigt die Unterdrückung eines unerwünschten Hintergrunds unter der P- und S-K-Linienfluoreszenz unter Verwendung eines 5 mm dicken Si-Filters gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
8A-8D veranschaulichen schematisch verschiedene andere Beispiele des optischen Röntgensystems gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
9A veranschaulicht schematisch eine Querschnittsansicht eines beispielhaften ersten optischen Röntgenelements, umfassend mindestens eine Kapillarröhre, gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
9B veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes erstes Röntgenenergiespektrum des ersten Röntgenstrahls gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
10A veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes System, bei dem das mindestens eine zweite optische Röntgenelement mindestens einen Röntgenreflektor umfasst, gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
10B veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes zweites Röntgenenergiespektrum des zweiten Röntgenstrahls aus 10A gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
11A veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes System, bei dem das mindestens eine zweite optische Röntgenelement eine Vielzahl von Röntgenreflektoren umfasst, gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
11B veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes zweites Röntgenenergiespektrum des zweiten Röntgenstrahls aus 11A gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
12A veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes System, bei dem der mindestens eine Röntgenreflektor mindestens einen Streiflichteinfallspiegel umfasst, gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
12B veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes zweites Röntgenenergiespektrum des zweiten Röntgenstrahls aus 12A gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
13A veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes System, umfassend einen ersten Röntgenreflektor und einen zweiten Röntgenreflektor, gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
13B veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes zweites Röntgenenergiespektrum des zweiten Röntgenstrahls und die von dem zweiten Röntgenreflektor aus 13A reflektierten Röntgenstrahlen gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
14 ist ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Durchführen einer Röntgenfluoreszenzanalyse gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ein Beispielbereich, in dem Röntgenfluoreszenz (XRF) Informationen liefern kann, sind die Wechselwirkungen von Metallen in biologischen Systemen (z. B. die Rolle von Metallen in biologischen Prozessen; Arzneimittel auf Metallbasis). Diese Spurenelemente sind typischerweise in einer Konzentration von ppm (parts per million; Teile pro Million) zu finden und räumlich auf Organebene, Gewebsebene, Zellebene und subzellulärer Ebene spezifisch. Eine abnormale Verteilung der Spurenelemente in Geweben wurde direkt mit vielen Krankheiten in Verbindung gebracht, einschließlich Alzheimer, Parkinson, Amyotropher Lateralsklerose (ALS) und Huntington-Krankheit. Neuere Studien verknüpfen auch Pathologien wie etwa Arthritis und Schizophrenie mit abnormalen Spurenelementkonzentrationen von Blutserum in menschlichen Populationen, was Fragen zur Elementverteilung in den erkrankten Geweben aufwirft. Darüber hinaus führen vielversprechende neue metallbasierte Therapeutika (z. B. Anti-Krebs und Anti-HIV) dazu, dass der Bedarf an Metall-Mapping-Fähigkeiten zunimmt, um so die In-vivo-Aufnahme der Medikamente besser zu verstehen und Zielstrategien zu bestimmen.
XRF wurde zuvor für die chemische Analyse und elementare Bildgebung zum Metall-Mapping in biologischen Proben verwendet. Hochleistungs-Synchrotron-basiertes „microXRF“ ist in der Lage, eine elementare Analyse von biologischem Gewebe bei zellulärer und subzellulärer Auflösung (z. B. Mikrometer bis 30 nm) mit einer Empfindlichkeit und Quantifizierung auf Spurenebene (z. B. unter Teile pro Millionen (ppm)) durchzuführen. Synchrotron-XRF-Mikrosonden verwenden typischerweise eine Monochromator, um die Energie eines einzelnen einfallenden Röntgenstrahls zu definieren, und große Synchrotron-spezifische Optiken (z. B. Kirkpatrick-Baez-Spiegel oder KB-Spiegel), um die Röntgenstrahlen auf einen Punkt von 0,5-5 µm zu fokussieren. Beispielhafte Synchrotron-basierte microXRF-Studien, die bei einer Auflösung von etwa 1,6 µm durchgeführt wurden, haben die intrazelluläre Lokalisierung von chemotherapeutischen Ptbasierten Anti-Krebs-Verbindungen in kanzerösen und nicht kanzerösen Zellen und die Beziehung von Pt zu Zn analysiert, was die Erkenntnis erbracht hat, dass Zn-bezogene Detoxifikation für die Entwicklung von Widerstand gegen die Chemotherapie verantwortlich war. In einer anderen Beispielstudie wurde ein Synchrotron-basierter microXRF mit einer Auflösung von etwa 4 µm verwendet, um das Verhältnis von Co zu Cu in der Umgebung von fehlgeschlagenen Hüftimplantaten zu bestimmen, was zeigte, dass die fehlgeschlagenen Implantate gegenüber nicht ausgefallenen Implantaten bevorzugt Co verteilten, und dass Analysen dieses Verhältnisses die Implantatauswahl beeinflussen können. In einer weiteren Beispielstudie wurde die räumliche Dichte von Fe-reichen Regionen in den Fingernägeln von Menschen, bei denen Lungenkrebs diagnostiziert wurde, mit einer Auflösung von etwa 2 µm abgebildet.
Solche microXRF-Systeme erfordern jedoch den Zugang zu Synchrotron-Anlagen, die teuer sind (z. B. kostet jede Synchrotron-Anlage bis zu 1 Mrd. $) und die in ihrer Anzahl auf nur wenige Zentren weltweit beschränkt sind. Aufgrund der geringen Anzahl solcher Anlagen mit Röntgenfluoreszenzstrahllinien (z. B. kann jede Strahllinie über 10 Mio. $ kosten) ist der Zugang von einer starken Konkurrenz gekennzeichnet. Selbst wenn der Zugang gewährt wird, ist die Strahlzeit häufig auf eine Woche oder wenige Tage begrenzt, was insofern problematisch ist, als dass dies die Anzahl der zu analysierenden Proben und/oder die Fähigkeit, das Messprotokoll zu ändern (z. B. Verbesserungen bei der Probenvorbereitung und/oder Stichprobenauswahl) begrenzt. Es gibt natürlich zusätzliche Herausforderungen, einschließlich der Logistik der Fahrt zum Synchrotron und der damit verbundenen Kosten.
Herkömmliche laborbasierte XRF-Systeme, die entwickelt wurden, um einen breiten Zugang zur Mikrospot-XRF-Analyse zu ermöglichen, basieren typischerweise auf einer Röntgenquelle mit Elektronenbeschusslabor, die ein polychromatisches Röntgenspektrum erzeugt, das dann unter Verwendung einer polykapillären Röntgenoptik auf eine Punktgröße von etwa 30 bis 100 µm fokussiert wird. Im Vergleich zu Synchrotron-Systemen sind solche herkömmlichen Systeme auf eine schlechtere Auflösung beschränkt und weisen eine geringere Empfindlichkeit auf, was für die Elementaranalyse von Spurenkonzentrationen in biologischen Anwendungen problematisch ist.
Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen ein System (z. B. ein Röntgenfluoreszenzsystem) bereit, das eine mikrostrukturierte Röntgenquelle umfasst, die mindestens ein Zielmaterial (z. B. Au) umfasst, das in ein wärmeleitendes Substrat (z. B. Diamant) eingebettet ist, wobei die Röntgenquelle dazu konfiguriert ist, Röntgenstrahlen mit Energien zu emittieren, die einer oder mehreren charakteristischen Röntgenlinien des mindestens einen Zielmaterials entsprechen. Das System umfasst ferner eine Röntgenoptik, die so positioniert ist, dass sie mindestens einen Teil der Röntgenstrahlen von der Röntgenquelle empfängt. Die Röntgenoptik umfasst eine axialsymmetrische Röntgenfokussierungsoptik mit einer tiefengradierten Mehrfachschichtbeschichtung auf einer Innenfläche (z. B. mit einem ellipsenförmigen Profil in einer Ebene entlang einer Längsachse der Röntgenoptik), die dazu konfiguriert ist, Röntgenstrahlen mit Energien in einem ersten vorbestimmten Bereich wesentlich zu reflektieren (z. B. um ein Reflexionsvermögen größer als 30 % aufzuweisen; ein Reflexionsvermögen größer als 50 % aufzuweisen), Röntgenstrahlen in einem zweiten vorbestimmten Bereich (z. B. in einem Bereich, der die Fluoreszenzlinien der zu analysierenden Elemente enthält) nicht wesentlich zu reflektieren (z. B. um ein Reflexionsvermögen von weniger als 10 % aufzuweisen; ein Reflexionsvermögen von weniger als 5 % aufzuweisen) und die reflektierten Röntgenstrahlen auf eine zu analysierende Probe (z. B. biologische Probe; Halbleiterprobe; geologische Probe) zu fokussieren.
Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen eine Röntgenoptik bereit, die mindestens einen axialsymmetrischen Teil einer Röhre (z. B. Kapillare) umfasst, wobei der Teil eine Innenfläche mit einer Form aufweist (z. B. ein ellipsenförmiges Profil in einer Ebene entlang einer Längsachse der Röntgenoptik), die zum Fokussieren der Röntgenstrahlen von einer Röntgenquelle konfiguriert ist (z. B. mit Quellenbildgebung; mit Quellenverkleinerung; mit Quellenvergrößerung). Die Innenfläche des axialsymmetrischen Teils umfasst mindestens eine tiefengradierte Mehrfachschichtbeschichtung, die dazu konfiguriert ist, die Röntgenstrahlen mit Energien in einem ersten Energiebereich wesentlich zu reflektieren und Röntgenstrahlen mit Energien in einem zweiten Energiebereich, der den ersten Energiebereich nicht überschneidet, nicht wesentlich zu reflektieren.
Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen ein Röntgenfluoreszenzsystem bereit. Das System umfasst mindestens eine Röntgenoptik, die dazu konfiguriert ist, mindestens einen Teil eines ersten Röntgenstrahls mit einem ersten Energiespektrum zu empfangen und mindestens einige der Röntgenstrahlen des Teils des ersten Röntgenstrahls zu reflektieren, um einen zweiten Röntgenstrahl zu bilden. Der zweite Röntgenstrahl weist ein zweites Energiespektrum auf. Das System umfasst ferner mindestens ein optisches Element (z. B. einen Spiegel), das dazu konfiguriert ist, mindestens einige der Röntgenstrahlen des zweiten Röntgenstrahls zu empfangen, einen dritten Röntgenstrahl, der einen durchgelassenen Teil der von dem zweiten Röntgenstrahl empfangenen Röntgenstrahlen umfasst, durchzulassen und einen reflektierten Teil der von dem zweiten Röntgenstrahl empfangenen Röntgenstrahlen zu reflektieren. Der dritte Röntgenstrahl weist ein drittes Energiespektrum mit einer im Vergleich zu dem zweiten Energiespektrum verringerten Intensität in einem vorbestimmten Bereich von Röntgenenergien auf.
Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen ein Verfahren zum Durchführen einer Röntgenfluoreszenzanalyse bereit. Das Verfahren umfasst Empfangen von Röntgenstrahlen mit einem ersten Energiespektrum und einer ersten räumlichen Verteilung und Reflektieren mindestens einiger der empfangenen Röntgenstrahlen. Die reflektierten Röntgenstrahlen weisen ein zweites Energiespektrum und eine zweite räumliche Verteilung auf. Das Verfahren umfasst ferner Durchlassen eines ersten Teils der reflektierten Röntgenstrahlen, um auf eine Probe zu treffen, und Reflektieren eines zweiten Teils der reflektierten Röntgenstrahlen. Der erste Teil weist ein drittes Energiespektrum auf, das im Vergleich zu dem zweiten Energiespektrum eine verringerte Intensität in einem vorbestimmten Bereich von Röntgenenergien aufweist.
Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen passen das Energiespektrum der auf die Probe einfallenden Röntgenstrahlen vorteilhafterweise an, um die Intensität (z. B. den Fluss) der Röntgenstrahlen in dem interessierenden Röntgenfluoreszenzenergiebereich zu verringern (z. B. zu entfernen; auszuschneiden), während die Intensität (z. B. Fluss) von Röntgenstrahlen bei Energien, die höher als der interessierende Röntgenfluoreszenzenergiebereich sind, erhalten bleibt (z. B. nicht wesentlich beeinflusst wird). Durch Verringern der Intensität der einfallenden Röntgenstrahlen im Röntgenfluoreszenzenergiebereich verringern bestimmte Ausführungsformen den gestreuten Röntgenstrahlbeitrag zum Hintergrund im Röntgenfluoreszenzenergiebereich. Durch Beibehalten der Intensität der einfallenden Röntgenstrahlen bei Energien oberhalb des Röntgenfluoreszenzenergiebereichs behalten bestimmte Ausführungsformen die Röntgenintensität, die die Röntgenfluoreszenz innerhalb der Probe anregt, bei (z. B. verringern sie nicht wesentlich). Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen verwenden eher Reflexion als Absorption, um die Intensität von Röntgenstrahlen in dem interessierenden Röntgenfluoreszenzenergiebereich zu verringern.
Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen arbeiten vorteilhafterweise als ein „Sperrfilter“, in dem Röntgenstrahlen innerhalb mindestens eines vorbestimmten Energiebereichs mit einer unteren gebundenen Röntgenenergie und einer oberen gebundenen Röntgenenergie im Wesentlichen daran gehindert werden, auf die Probe zu treffen, während es Röntgenstrahlen außerhalb des mindestens einen vorbestimmten Energiebereichs (z. B. bei Energien oberhalb der oberen Grenze der Röntgenenergie; bei Energien oberhalb der oberen Grenze der Röntgenenergie und Röntgenstrahlen unterhalb der unteren Grenze der Röntgenenergie) gestattet wird, sich ausbreiten, um auf die Probe zu treffen.
Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen erhöhen vorteilhafterweise den Durchsatz für die Röntgenfluoreszenzanalyse, indem sie die Datenerfassungszeit für die Durchführung von Messungen mit einem ausreichenden Signal-Rausch-Verhältnis verringern. Zum Beispiel kann die Datenerfassungszeit T wie folgt ausgedrückt werden: T ∝ B/F², wobei B der Hintergrundbeitrag ist und F das Röntgenfluoreszenzsignal ist. Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen verringern den Hintergrundbeitrag B um etwa 90 %, während das Röntgenfluoreszenzsignal F nur um etwa 10 % verringert wird, was zu einer Verringerung der Datenerfassungszeit T um etwa 88 % führt.
Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen sind dazu konfiguriert, Röntgenfluoreszenzsysteme zu ermöglichen (z. B. zu verbessern), die für das Spurenelement-Mapping konfiguriert sind (z. B. in biologischen Proben; in Halbleiterproben; in geologischen Proben). In bestimmten solchen Ausführungsformen wird der Bremsstrahlungs-Röntgenstrahl unter Verwendung einer zweiten paraboloidförmigen Optik neu fokussiert und die Probe wird abgetastet, um Elementabbildungen eines weiten Bereichs von Elementen zu erzeugen. Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen eine schnellere Analyse und/oder erhöhte Empfindlichkeit gegenüber den zu analysierenden Spurenelementen (z. B. durch Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses) bereit, während die gewünschte hohe räumliche Auflösung (z. B. für Halbleiteranwendungen, biomedizinische Forschung und andere Anwendungen) beibehalten wird. Bestimmte andere hierin beschriebene Ausführungsformen stellen eine schnellere Analyse und/oder erhöhte Empfindlichkeit gegenüber den zu analysierenden Spurenelementen (z. B. durch Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses) in Anwendungen bereit, die keine hohe räumliche Auflösung verwenden (z. B. Mineralexploration).
Bestimmte andere Ausführungsformen sind dazu konfiguriert, den Beitrag einer ersten Röntgenfluoreszenzlinie eines ersten Elements (z. B. Hf) aus dem Beitrag einer zweiten Röntgenfluoreszenzlinie eines zweiten Elements (z. B. Cu) zu bestimmen, wobei die erste Röntgenfluoreszenzlinie und die zweite Röntgenfluoreszenzlinie ähnliche (z. B. im Wesentlichen gleiche) Energien aufweisen. Zum Beispiel kann in einer Halbleiterverarbeitungsanwendung ein Sperrfilter dazu konfiguriert sein, Röntgenstrahlen in einem Energiebereich von 9 keV-9,6 keV aus einem einfallenden Röntgenstrahl zu entfernen, und eine Probe, die sowohl Cu (z. B. mit einer K-Absorptionskante bei etwa 9 keV und einer Kα-Fluoreszenzlinie bei etwa 8 keV) als auch Hf (z. B. mit einer L-Absorptionskante bei etwa 9,6 keV und einer Lα-Fluoreszenzlinie bei etwa 8 keV) enthalten, kann durch (i) Messen einer ersten Röntgenfluoreszenz von der Probe, wobei der Sperrfilter verhindert, dass Röntgenstrahlen innerhalb des Energiebereichs auf die Probe auftreffen, (ii) Messen einer zweiten Röntgenfluoreszenz von der Probe, ohne dass der Sperrfilter verhindert, dass Röntgenstrahlen innerhalb des Energiebereichs auf die Probe auftreffen, und (iii) Vergleichen der ersten Röntgenfluoreszenz und der zweiten Röntgenfluoreszenz analysiert werden. Bestimmte andere hierin beschriebene Ausführungsformen sind dazu konfiguriert, die Beiträge von Beugungspeaks in den gemessenen Röntgenstrahlen vorteilhafterweise zu entfernen. Bestimmte andere hierin beschriebene Ausführungsformen sind dazu konfiguriert, den Fluss von Röntgenstrahlen innerhalb eines ausgewählten Energiebereichs dabei zu verringern (z. B. zu verhindern; zu minimieren), auf die Probe zu treffen, während Röntgenstrahlen außerhalb des ausgewählten Energiebereichs auf die Probe auftreffen können, wodurch der gesamte Röntgenfluss, der auf die Probe auftrifft (z. B. eine Probe, die empfindlich oder anfällig für Schäden durch Strahlungsdosierungen über einem vorbestimmten Schwellenwert ist), vorteilhafterweise reduziert wird.
In Bezug auf biologische Systeme ist die XRF-Analyse häufig komplex (z. B. wird die XRF verschiedener Elemente bei unterschiedlichen Energien maximiert) und es kann wünschenswert sein, mehrere Elemente gleichzeitig mit den höchstmöglichen Empfindlichkeiten zu erfassen. Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen erzeugen sowohl starke charakteristische Röntgenenergien in Bezug auf das Röntgenzielmaterial als auch ein breites polychromatisches Röntgenspektrum bis zur Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls der Röntgenquelle, wodurch erhöhte Anregungen ermöglicht werden.
Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen Systeme und Verfahren für die Röntgenfluoreszenz zur chemischen Analyse und elementaren Bildgebung mit subzellulärer Auflösung bereit. Wie hierin beschrieben, können bestimmte derartige Ausführungsformen Vorteile gegenüber denen bieten, die durch ein kürzlich entwickeltes Labor-microXRF-System bereitgestellt werden, das eine mikrostrukturierte Röntgenquelle und eine doppelte paraboloidförmige Röntgenoptik enthält, um eine Auflösung von weniger als 10 µm (z. B. 8 µm) und Nachweisempfindlichkeiten im Sub-ppm-Bereich und Sub-Femtogramm-Bereich (absolut) zu erreichen. Dieses laborbasierte microXRF-System wurde von verschiedenen Forschern auf eine breite Palette biologischer Anwendungen angewendet, einschließlich unter anderem: Nanopartikel-Medikamente in Tumoren; Spurenelementdysregulationen in erkranktem verkalktem Gewebe wie Penissteinen, Nierensteinen und Zähnen; genetische Veränderung von Pflanzen zur Verbesserung der Nährstoffaufnahme (z. B. Eisen); Korrelationen der elementaren anomalen Verteilung von Zr, I, Cu und Sr in Haarproben mit dem Auftreten und Fortschreiten von Diabetes, Autismus und Krebs; Parkinson-Mausmodelle und zur Schaffung einer quantitativen Hybridroutine unter Verwendung von microXRF- und induktiv gekoppelten Plasmamassenspektrometrie (ICP-MS)-Techniken. Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen sind dazu konfiguriert, eine Bildgebung von biologisch wichtigen Elementen bei einer Auflösung von 1,6 µm mit einer Geschwindigkeit, die dreimal schneller als dieses System bei einer Auflösung von 8 µm ist, vorteilhafterweise bereitzustellen. Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen erweitern vorteilhafterweise die Verwendung von microXRF-Laborsystemen zur Abbildung biologisch wichtiger Elemente für biomedizinische Anwendungen und beschleunigen das Tempo der biomedizinischen Forschung, die durch einen geringen Synchrotron-Zugang Engpässe aufweist.
Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen sind dazu konfiguriert, Informationen bereitzustellen, die für metallbindende Proteine (z. B. Metalloproteine) in den Gewebeproben relevant sind. Metalloproteine machen ein Drittel aller Proteine im menschlichen Körper aus und führen bekanntermaßen mindestens einen Schritt in nahezu jeder biologischen Bahn aus. Es wird angenommen, dass die Dysregulation dieser physiologisch wichtigen Metalle mit zahlreichen Krankheiten zusammenhängt, darunter: Menke- und Wilson-Krankheit, neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson, Amyotrophe Lateralsklerose (ALS), Huntington-Krankheit, Autismus und Autoimmunerkrankungen wie etwa rheumatoide Arthritis, Morbus Crohn, Morbus Basedow und Unfruchtbarkeit. Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen sind dazu konfiguriert, Informationen bereitzustellen, die für zusätzliche Elemente relevant sind, die zuvor nicht in biologischen Systemen gefunden wurden, die aber entweder absichtlich (z. B. Arzneimittel, die sich in Richtung anorganischer Konzepte und Metallnanopartikel bewegt haben) oder unbeabsichtigt (z. B. durch Umwelteinflüsse angesammelt, häufig aufgrund moderner industrieller Nutzung und Verschmutzung) in solche Systeme eingeführt werden und die potenzielle toxische Wirkungen haben können. Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen sind dazu konfiguriert, Informationen bereitzustellen, die für die Entwicklung gezielter und rationaler Designansätze für metallhaltige Arzneimittel relevant sind (z. B. Informationen, die für ihre Aufnahme in Tumoren, Zellen und Organellen relevant sind; Informationen, die für die Entfernung oder Entgiftung solcher Arzneimittel relevant sind; Informationen, die in Bezug auf die Wirksamkeit solcher Medikamente und/oder die Entwicklung einer Arzneimittelresistenz gegen solche Arzneimittel relevant sind).
Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen liefern Bildgebungsinformationen mit hoher räumlicher Auflösung (z. B. relevant, um die zugrundeliegenden biologischen Funktionen physiologisch wichtiger Elemente und assoziierter Moleküle sowie biologischer Wege von therapeutischen Arzneimitteln oder toxischen Elementen zu verstehen) mit Auflösungen im Mehrlängenmaßstab, wie etwa zelluläre Auflösung für die Abbildung von Geweben und Organen und die subzelluläre Auflösung für die Abbildung von Zellen, trotz der geringen Spurenkonzentration vieler biologisch wichtiger Elemente in biologischen Proben aufgrund der geringen Anzahl von Metallatomen in dem kleinen untersuchten Volumen. Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen ermöglichen die gleichzeitige Bildgebung mehrerer Elemente mit subzellulärer Auflösung und hoher Empfindlichkeit, um Informationen bereitzustellen, die für die Beziehung zwischen Elementen und entsprechenden Biomolekülen (z. B. metallhaltigen Proteinen) und/oder Texturinformationen (wie etwa K) relevant sind. Beispielsweise liefert die Bildgebung von Spurenelementen zusammen mit der Verteilung von Phosphor, Schwefel und Kalium durch bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen Informationen, die für die räumliche Korrelation mit DNA (P), Protein (S) und Zellform (K) relevant sind.
Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen ein „Vorsynchrotron“-Screening bereit, das die Probenvorbereitung informieren und eine effektive Nutzung der Synchrotron-Ressourcen sicherstellen sowie Proben vor XRF-Studien mit ultrahoher Auflösung (z. B. 30 nm-100 nm) auswählen kann. Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen eine Analyse einer großen Anzahl von Proben bereit (z. B. die von vielen biomedizinischen Anwendungen verwendet werden), um die statistische Populationsvarianz zu berücksichtigen. Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen eine Analyse von Proben bereit, die aufgrund der geschützten Natur der Proben, der gefährlichen Natur der Proben oder aus anderen Gründen nicht in anderen Anlagen (z. B. Synchrotrons) transportiert werden können. Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen bieten eine hohe Penetration und experimentelle Flexibilität bei der Aufnahme verschiedener Probengrößen und -formen unter verschiedenen Bedingungen (z. B. nass, kryokonserviert, fixiert und/oder unter einer Reihe flexibler Betriebsbedingungen gefärbt; Umgebung; kryogen). Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen eine zerstörungsfreie Röntgenfluoreszenzanalyse bereit, die mit einer korrelativen (z. B. Follow-on- oder Follow-up-) Analyse und/oder Bildgebung, die mit anderen Techniken durchgeführt wird, kombiniert werden kann, einschließlich unter anderem Infrarot und Raman-Spektroskopie/Mikroskopie, Molekularmassenspektroskopie (z. B. matrixunterstützter Laserdesorption/-ionisierung oder MALDI), sekundäre Massenspektroskopie-Röntgenabsorptionsspektroskopie zur Untersuchung des chemischen Zustands der interessierenden Elemente). Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen bieten vorteilhafterweise andere Vorteile, einschließlich unter anderem: gleichzeitiges Erfassen vieler Elemente innerhalb absoluter Nachweisgrenzen und Messungen von Proben bei oder nahe ihrem natürlichen Zustand unter Umgebungsbedingungen. Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen bieten eine viel höhere räumliche Auflösung als Massenspektroskopie-Bildgebungstechniken (z. B. induktiv gekoppelte PlasmaMassenspektrometrie mit Laserablation oder LA-ICP-MS) und um Größenordnungen höhere Empfindlichkeit und niedrigere Strahlungsdosis als elektronenbasierte Techniken.
Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen sind dazu konfiguriert, elementare Bildgebung (z. B. Informationen in Bezug auf die räumlichen Verteilungen) eines oder mehrerer biologisch wichtiger Elemente (z. B. in metallbindenden Proteinen) in Gewebeproben bei geringeren Konzentrationen und Konzentrationen im Spurenbereich (z. B. Teile pro Million; 0,1 % oder weniger) durchzuführen. 1 zeigt Beispiele von biologisch wichtigen Elementen, die unter Verwendung von harten Röntgenstrahlen gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen nachweisbar sind (siehe M.J. Pushie et al., „Elemental and chemically specific x-ray fluorescence imaging of biological systems", Chemical Reviews 114:17 (2014): 8499-8541). Wie in 1 gezeigt, können biologisch wichtige Elemente Folgendes umfassen:

• physiologisch wichtige Elemente, von denen bekannt ist, dass sie lebenswichtig sind (z. B. Na, Mg, Si, P, S, Cl, K, Ca, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Se, Br, Mo, I). Beispielsweise können solche Elemente Komponenten von Proteinen sein (z. B. metallhaltige Proteine, die Fe, Cu, und/oder Zn enthalten);
• pharmakologisch aktive Elemente, die als neuartige Therapeutika und diagnostische Mittel dienen (z. B. Ti, Ga, Zr, Ru, Pd, Ag, Pt, Au, Bi, Gd, Dy). Beispielsweise können solche Elemente Bestandteile von Krebsmedikamenten sein (z. B. umfassend Pt, Au und/oder Ru); und
• toxische oder krebserzeugende Elemente, die aufgrund moderner industrieller und technologischer Aktivitäten weit verbreitet sind (z. B. Al, Cr, As, Sr, Cd, Sn, Sb, Te, Ba, Hg, Tl, Pb, Po, Th, Pa, U, Np, Pu, Am).

2A-2D veranschaulichen schematisch verschiedene beispielhafte optische Röntgensysteme 10 gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Das optische Röntgensystem 10 (z. B. ein optisches Röntgenfilter) aus 2A umfasst mindestens ein optisches Röntgenelement 20 (z. B. einen Spiegel). In bestimmten Ausführungsformen umfasst das mindestens eine optische Röntgenelement 20 mindestens ein Substrat und mindestens eine Schicht auf dem mindestens einen Substrat. Das mindestens eine optische Röntgenelement 20 ist dazu konfiguriert, eine Vielzahl von Röntgenstrahlen (z. B. einen ersten Röntgenstrahl 12) mit einem ersten Röntgenspektrum mit einer ersten Intensität als eine Funktion der Energie in einem vorbestimmten Raumwinkelbereich zu empfangen und die mindestens einigen der empfangenen Röntgenstrahlen durch Mehrfachschichtreflexion (z. B. Reflexion, die die Bragg-Reflexionsbedingung von Mehrfachschichten und/oder Mosaikkristallschichten erfüllt) oder totale externe Reflexion in reflektierte Röntgenstrahlen und nicht reflektierte Röntgenstrahlen zu trennen. Das mindestens eine optische Röntgenelement 20 ist ferner dazu konfiguriert, einen zweiten Röntgenstrahl 32 zu bilden, der mindestens einige der reflektierten Röntgenstrahlen und/oder mindestens einige der nicht reflektierten Röntgenstrahlen umfasst. Der zweite Röntgenstrahl 32 weist ein zweites Röntgenspektrum mit einer zweiten Intensität als eine Funktion der Energie in dem Raumwinkelbereich auf. Die zweite Intensität ist größer oder gleich 50 % der ersten Intensität über einen ersten kontinuierlichen Energiebereich mit einer Breite von mindestens 3 keV ist und die zweite Intensität ist kleiner oder gleich 10 % der ersten Intensität über einen zweiten kontinuierlichen Energiebereich mit einer Breite von mindestens 100 eV. In bestimmten Ausführungsformen ist die zweite Intensität größer oder gleich 50 % der ersten Intensität über einen dritten kontinuierlichen Energiebereich mit einer Breite von mindestens 2 keV, wobei der zweite kontinuierliche Energiebereich zwischen dem ersten kontinuierlichen Energiebereich und dem dritten kontinuierlichen Energiebereich liegt.
In bestimmten Ausführungsformen, wie sie schematisch durch 2B veranschaulicht, umfasst das optische Röntgensystem 10 mindestens eine Röntgenquelle 40, die dazu konfiguriert ist, den ersten Röntgenstrahl 12 zu erzeugen, und ist das mindestens eine optische Röntgenelement 20 so positioniert, dass es mindestens einen Teil der Röntgenstrahlen (z. B. mindestens einen Teil des ersten Röntgenstrahls 12) von der mindestens einen Röntgenquelle 40 empfängt. Wie schematisch durch 2C und 2D veranschaulicht, ist in bestimmten Ausführungsformen mindestens ein Teil des zweiten Röntgenstrahls 32 dazu konfiguriert, eine Probe 50 (z. B. eine biologische Probe; eine Halbleiterprobe; eine geologische Probe) zu bestrahlen und die Röntgenfluoreszenz 52 innerhalb der Probe 50 anzuregen. Die Röntgenfluoreszenz 52 wird von der Probe 50 emittiert und umfasst Röntgenfluoreszenzlinien innerhalb des vorbestimmten Bereichs von Röntgenenergien.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst das System 10 ferner mindestens einen Röntgendetektor 60, der dazu konfiguriert ist, mindestens einen Teil der von der Probe 50 emittierten Röntgenfluoreszenz 52 zu erfassen und zu messen. Beispielsweise kann der mindestens eine Röntgendetektor 60 einen energiedispersiven Detektor umfassen, der dazu konfiguriert ist, die von der Probe emittierten Fluoreszenzröntgenstrahlen zu erfassen (z. B. um Bilder zu erzeugen, die die Elementverteilung der Probe anzeigen). Wie schematisch durch 2C veranschaulicht, trifft der zweite Röntgenstrahl 32 auf eine erste Oberfläche 54 der Probe 50 und der mindestens eine Röntgendetektor 60 ist dazu positioniert, Röntgenfluoreszenz 52 zu empfangen, die von einer zweiten Oberfläche 56 der Probe 50, die sich von der ersten Oberfläche 54 unterscheidet (z. B. ist die zweite Oberfläche 56 der ersten Oberfläche 54 gegenüberliegend), emittiert wird. Für ein anderes Beispiel, wie schematisch durch 2D veranschaulicht, trifft der zweite Röntgenstrahl 32 auf die erste Oberfläche 54 der Probe 50 und der mindestens eine Röntgendetektor 60 ist dazu positioniert, die von der ersten Oberfläche 54 emittierte Röntgenfluoreszenz 52 zu empfangen (z. B. der zweite Röntgenstrahl 32 trifft auf einen Teil der ersten Oberfläche 54 und die Röntgenfluoreszenz 52 wird von dem mindestens einen Röntgendetektor 60 von demselben Teil der ersten Oberfläche 54 und/oder einem anderer Teil der ersten Oberfläche 54 empfangen). Beispiele für Röntgendetektoren 60, die mit bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen kompatibel sind, sind in US-Pat. Nr. 9,874,531, 9,823,203, 9,719,947, 9,594,036, 9,570,265, 9,543,109, 9,449,781, 9,448,190 und 9,390,881 , von denen jedes in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist, offenbart.
3A veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes optisches Röntgensystem 10 gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Das beispielhafte optische Röntgensystem 10 aus 3A umfasst eine Röntgenquelle 40, die dazu konfiguriert ist, den ersten Röntgenstrahl 12 zu emittieren, wobei das mindestens eine optische Röntgenelement 20 (z. B. ein Spiegel) dazu konfiguriert ist, den ersten Röntgenstrahl 12 zu empfangen und den zweiten Röntgenstrahl 32 zu bilden und zu lenken, um auf die Probe 50 aufzutreffen, und mindestens einen Röntgendetektor 60, der dazu konfiguriert ist, die von der Probe 50 emittierten Fluoreszenzröntgenstrahlen zu erfassen (z. B. zu messen). In bestimmten Ausführungsformen ist das System 10 in ein Vakuumsystem integriert und dazu konfiguriert, eine elementare Bildgebung von Proben bereitzustellen (z. B. gefriergetrocknete Gewebeproben; biologische Proben; Halbleiterproben; geologische Proben). In Bezug auf biologische Proben stellt das System 10 von mehreren Ausführungsformen vorteilhafterweise microXRF-Analyse und -Bildgebung mit subzellulärer Auflösung (z. B. in einem Bereich von 0,5 µm bis 2 µm; 1,5 µm; 1,6 µm; eine Verbesserung der Auflösung gegenüber vorherigen Systemen in nahezu einer Größenordnung) und mit hoher Empfindlichkeit (z. B. ppm) für die Detektion von biologisch wichtigen Elementen (z. B. Fe, Cu, Zn, P, S) mit Konzentrationen im Spurenbereich bereit.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst die Röntgenquelle 40 mindestens ein mikrostrukturiertes Ziel 42 mit mindestens einem Material (z. B. Au) an einem oder eingebettet in ein wärmeleitendes Substrat 44 (z. B. Diamant). Das mindestens eine Material des mindestens einen mikrostrukturierten Ziels 42 ist dazu konfiguriert, Röntgenstrahlen (z. B. den ersten Röntgenstrahl 12) mit ultrahoher Quellenhelligkeit zu emittieren, wenn es von Elektronen 46 beschossen wird, wobei der erste Röntgenstrahl 12 von der Röntgenquelle 40 durch mindestens ein Fenster 48 emittiert wird. Das mindestens eine Material des mindestens einen Ziels 42 ist dazu konfiguriert, Röntgenstrahlen mit Energien zu emittieren, die höher sind als eine oder mehrere charakteristische Röntgenfluoreszenzlinien der zu analysierenden Probe 50. Beispielsweise liegen die charakteristischen L-Linien von Au geringfügig über der K-Absorptionskante von Zn und nicht weit über den K-Absorptionskanten von Fe und Cu, sodass die L-Linien eines Au-Zielmaterials mehr als dreimal effizienter für die Erzeugung von Röntgenfluoreszenzsignalen für diese Beispielelemente sein können. Die Röntgenquelle 40 bestimmter Ausführungsformen weist eine Quellengröße in einem Bereich von 5 µm bis 15 µm (z. B. 8 µm; 10 µm) auf. Beispielparameter der Röntgenquelle 40 beinhalten unter anderem Folgendes: eine Elektronenstrahl-Betriebsbeschleunigungsspannung von 35 kV; eine Elektronenleistung von 30 W; ein Fenster 48, umfassend Beryllium und mit einer Dicke von 50 µm; eine Elektronenstrahl-Grundfläche auf dem Ziel (z. B. Halbwertsbreite) von 8 µm (Breite) × 100 µm (Länge); das Substrat 44, umfassend Diamant mit 200 geätzten Vertiefungen (z. B. 4 µm tief, 1 µm dick und 20 µm breit), die sich entlang der langen Abmessung der Elektronenstrahl-Grundfläche erstrecken; Vertiefungen, die mit dem mindestens einen Material (z. B. Au) des mindestens einen Ziels 42 gefüllt sind; den ersten Röntgenstrahl 12 mit einem Startwinkel von 5° entlang der langen Abmessung der Elektronenstrahl-Grundfläche. Beispiele für Röntgenquellen 40, die mit bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen kompatibel sind, sind in US-Pat. Nr. 9,874,531, 9,823,203, 9,719,947, 9,594,036, 9,570,265, 9,543,109, 9,449,781, 9,448,190 und 9,390,881 , von denen jedes in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist, offenbart.
Das Beispiel mindestens eines optischen Röntgenelements 20 aus 3A umfasst ein axialsymmetrisches optisches Röntgenfokussierungselement 70 (z. B. Spiegel; Spiegellinse) und einen Strahlstopp 80. Das optische Röntgenfokussierungselement 70 umfasst mindestens ein Substrat 72 und mindestens eine Schicht 74 (z. B. eine tiefengradierte Mehrfachschichtbeschichtung 90) auf dem mindestens einen Substrat 72, und das optische Röntgenfokussierungselement 70 ist dazu konfiguriert, mindestens einige der von der Röntgenquelle 40 emittierten Röntgenstrahlen (z. B. den ersten Röntgenstrahl 12) effizient zu sammeln, wobei die gesammelten Röntgenstrahlen spezifische Röntgenenergien aufweisen (z. B. die charakteristischen L-Linien von Au). Das optische Röntgenfokussierungselement 70 ist ferner dazu konfiguriert, die gesammelten Röntgenstrahlen (z. B. den zweiten Röntgenstrahl 32, der im Wesentlichen aus mindestens einigen der reflektierten Röntgenstrahlen besteht) auf die zu analysierende Probe 50 zu fokussieren (z. B. um das Signal zu maximieren; mindestens eine 13-fache Erhöhung des fokussierten Flusses dieser Energien). Wie schematisch in 3A veranschaulicht, ist der Strahlstopp 80 auf einer Längsachse des optischen Röntgenfokussierungselements 70 positioniert (z. B. an oder nahe einem stromaufwärtigen Ende 76 des optischen Röntgenfokussierungselements 70; an oder nahe einem stromabwärtigen Ende 78 des optischen Röntgenfokussierungselements 70; stromaufwärts von dem optischen Röntgenfokussierungselement 70; stromabwärts von dem optischen Röntgenfokussierungselement 70). Der Strahlstopp 70 ist dazu konfiguriert, zu verhindern, dass Röntgenstrahlen, die nicht von dem optischen Röntgenfokussierungselement 70 reflektiert werden, auf die Probe 50 auftreffen. Beispielhafte Strahlstopps 80, die mit bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen kompatibel sind, sind in US-Pat. Nr. 9,874,531, 9,823,203, 9,719,947, 9,594,036, 9,570,265, 9,543,109, 9,449,781, 9,448,190 und 9,390,881 , von denen jedes in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist, offenbart.
3B veranschaulicht schematisch ein Beispiel mindestens eines Substrats 72 des optischen Röntgenfokussierungselements 70 aus 3A gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Das mindestens eine Substrat 72 bestimmter Ausführungsformen umfasst ein einzelnes einheitliches Element. Zum Beispiel kann das mindestens eine Substrat 72 eine hohle axialsymmetrische Röhre oder einen Teil einer Röhre (z. B. eine Kapillare) umfassen, die sich entlang einer Längsachse 75 erstreckt und eine Innenfläche 73 (z. B. eine Spiegelfläche) umfasst, die sich vollständig um die Längsachse 75 erstreckt (z. B. die Längsachse 75 umgibt; sich um 360 Grad um die Längsachse 75 erstreckt). In bestimmten anderen Ausführungsformen umfasst das mindestens eine Substrat 72 mindestens einen Teil einer hohlen axialsymmetrischen Struktur (z. B. einen Teil einer axialsymmetrischen Röhre), der sich entlang der Längsachse 75 mit einer Innenfläche erstreckt, die sich nur teilweise um die Längsachse 75 erstreckt (z. B. weniger als 360 Grad; in einem Bereich von 45 Grad bis 360 Grad; in einem Bereich von 45 Grad bis 315 Grad; in einem Bereich von 180 Grad bis 360 Grad; in einem Bereich von 90 Grad bis 270 Grad). In bestimmten Ausführungsformen umfasst das mindestens eine Substrat 72 mehrere Substratteile (z. B. 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr), die voneinander getrennt sind (z. B. mit Zwischenräumen zwischen den Substratteilen) und die um die Längsachse 75 verteilt sind, wobei sich die Oberfläche 73 jedes Substratteils mindestens teilweise um und entlang der Längsachse 75 erstreckt. Beispielsweise können sich die Oberflächen 73 der mehreren Substratteile jeweils um die Längsachse 75 in einem Winkel in einem Bereich von 15 Grad bis 175 Grad, in einem Bereich von 30 Grad bis 115 Grad und/oder in einem Bereich von 45 Grad bis 85 Grad erstrecken.
In bestimmten Ausführungsformen ist die Oberfläche 73 des optischen Röntgenfokussierungselements 70 dazu konfiguriert, die Röntgenstrahlen mit einer 1:1-Bildgebung an der Probe 50 des Teils der Röntgenquelle 40, von dem die Röntgenstrahlen erzeugt werden (z. B. der Quellenpunkt an mindestens einem mikrostrukturierten Ziel 42, von dem die Röntgenstrahlen emittiert werden), zu fokussieren. In bestimmten anderen Ausführungsformen ist die Oberfläche 73 des optischen Röntgenfokussierungselements 70 dazu konfiguriert, die Röntgenstrahlen mit einer Vergrößerung (z. B. um mindestens einen Faktor von 3; um mindestens einen Faktor von 5; 1:3; 1:5) an der Probe 50 des Teils der Röntgenquelle 40, von dem die Röntgenstrahlen erzeugt werden (z. B. der Quellenpunkt an mindestens einem mikrostrukturierten Ziel 42, von dem die Röntgenstrahlen emittiert werden), zu fokussieren. In bestimmten anderen Ausführungsformen ist die Oberfläche 73 des optischen Röntgenfokussierungselements 70 dazu konfiguriert, die Röntgenstrahlen mit einer Verkleinerung (z. B. um mindestens einen Faktor von 3; um mindestens einen Faktor von 5; 3:1; 5:1) an der Probe 50 des Teils der Röntgenquelle 40, von dem die Röntgenstrahlen erzeugt werden (z. B. der Quellenpunkt an mindestens einem mikrostrukturierten Ziel 42, von dem die Röntgenstrahlen emittiert werden), zu fokussieren. In bestimmten Ausführungsformen, wie schematisch durch 3B veranschaulicht, wiest die Oberfläche 73 eine ellipsenförmige Profilform auf (z. B. in einer Ebene entlang der Längsachse), die zur Verkleinerung der Quelle konfiguriert ist (z. B. sammelt und fokussiert die Oberfläche 73 Röntgenstrahlen von dem Quellenpunkt der Röntgenquelle 40, um ein verkleinertes Bild des Quellenpunkts zu erzeugen). Zum Beispiel kann das optische Röntgenfokussierungselement 70 für eine Quellenverkleinerung um mindestens einen Faktor von 5 (z. B. 5:1-Verkleinerung; eine 5-fache Verringerung der Punktgröße) konfiguriert sein, was mindestens einem Verhältnis von 5:1 von dem Abstand zwischen dem Quellenpunkt und dem Zentrum des optischen Röntgenfokussierungselements 70 zu dem Abstand zwischen dem Zentrum des optischen Röntgenfokussierungselements 70 und dem Fokus des optischen Röntgenfokussierungselements 70 entspricht. Mit einer Quellenpunktgröße von 8 µm resultiert die Quellenverkleinerung um mindestens einen Faktor von 5 durch das optische Röntgenfokussierungselement 70 in einer fokussierten Punktgröße gleich oder kleiner als 1,6 µm. In bestimmten anderen Ausführungsformen erfolgt die Quellenverkleinerung des optischen Röntgenfokussierungselements 70 um mindestens einen Faktor von 3 (z. B. 3:1-Verkleinerung; eine 3-fache Verringerung der Punktgröße, ein Abstand von 100 mm zwischen dem Quellenpunkt und dem Zentrum des optischen Röntgenfokussierungselements 70 und ein Abstand von 30 mm zwischen dem Zentrum des optischen Röntgenfokussierungselements 70 und dem Fokus des optischen Röntgenfokussierungselements 70), was in einer fokussierten Punktgröße gleich oder kleiner als 2,7 µm für eine Quellenpunktgröße von etwa 8 µm-9 µm entspricht. In bestimmten Ausführungsformen weist der axialsymmetrische ellipsenförmige Teil der reflektierenden Oberfläche 73 des optischen Röntgenfokussierungselements 70 nahezu minimale Oberflächenfehler (z B. Oberflächenfehler kleiner als 200 nm in der Größe) und/oder einen Fokus (z. B. Punktverteilungsfunktion) besser als 3 µm für einen Quellengröße von 10 µm (z. B. eine Fokus- oder Punktverteilungsfunktion besser als 0,6 µm) auf.
3C veranschaulicht schematisch ein Beispiel mindestens einer Schicht 74 des optischen Röntgenfokussierungselements 70 aus 3A gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Die mindestens eine Schicht 74 umfasst mindestens eine tiefengradierte Mehrfachschicht 90 (z. B. einen Superspiegel), die auf die Oberfläche 73 des mindestens einen Substrats 70 aufgetragen ist (z. B. hergestellt unter Verwendung einer Technik zur Atomlagenabscheidung (atomic layer deposition - ALD); hergestellt unter Verwendung von Sputtern). ALD und Sputtern sind einigermaßen ausgereifte Technologien und werden aufgrund ihrer formangepassten Beschichtungseigenschaft häufig verwendet (z. B. beim Herstellen fortschrittlicher integrierter Schaltkreise; beim Herstellen von Mehrfachschichten auf flachem Substrat für Röntgenmonochromatoren).
Wie schematisch in 3C veranschaulicht, umfasst die mindestens eine tiefengradierte Mehrfachschicht 90 bestimmter Ausführungsformen eine Vielzahl von Schichtpaaren 92 (z. B. Paare von Schichten oder Doppelschichten mit einem Material mit hoher Ordnungszahl und einem Material mit niedriger Ordnungszahl, die sich in einer Richtung senkrecht zu den Schichten abwechseln). Die Dicken der Schichtpaare unterscheiden sich voneinander (z. B. unterscheiden sich die Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Materialschichten mit hoher Ordnungszahl voneinander). Zum Beispiel kann jedes Schichtpaar 92 eine erste Schicht 94, die ein erstes Material umfasst, und eine zweite Schicht 96, die ein zweites Material umfasst, umfassen (z. B. Pt/Si-Schichtpaare; Pt/B₄C-Schichtpaare; Pt/Al₂O₃-Schichtpaare; W/Si-Schichtpaare; W/B₄C-Schichtpaare; W/Al₂O₃-Schichtpaare; Mo/Si-Schichtpaare; Mo/B₄C-Schichtpaare; Mo/Al₂O₃-Schichtpaare; Ni/Si-Schichtpaare; Ni/B₄C-Schichtpaare; Ni/Al₂O₃-Schichtpaare; Cu/Si-Schichtpaare; Cu/B₄C-Schichtpaare; Cu/Al₂O₃-Schichtpaare). Die Dicke (z. B. in einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche 73 ist; d-Abstand) jedes Schichtpaars 92 ist entlang einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 73 ist, im Wesentlichen konstant. Entlang der Normalen der Oberfläche 73 sind Schichtpaare jedoch in Sätzen oder Gruppen konfiguriert, in denen sich die Dicken der Schichtpaare 72 in jeder Gruppe voneinander unterscheiden. Zum Beispiel können die Dicken der Schichtpaare 72 der verschiedenen Gruppen von einer ersten Dicke (z. B. 3 nm) zu einer zweiten Dicke (z. B. 4,5 nm) zunehmen, wobei die Schichtgruppen näher an der Oberfläche des Substrats 72 kleinere Schichtdicken aufweisen als die Schichtgruppen, die von der Oberfläche des Substrats 72 weiter entfernt sind.
In dem Beispiel der tiefengradierten Mehrfachschicht 90 aus 3C liegt die Gesamtzahl der Schichtpaare 90 bei 240, bestehend aus 6 Sätzen von 40-Schicht-Paaren 92. Von einem ersten Satz 98a von Schichtpaaren 92 (z. B. am nächsten zu der Oberfläche 73) zu dem letzten Satz 98f der Schichtpaare 92 (z. B. am weitesten von der Oberfläche 73 entfernt) nimmt die Dicke der Schichtpaare 92 schrittweise zu (z. B. von 3 nm auf 4,5 nm um etwa 0,3 nm = 3 Angström pro Satz, was ungefähr gleich der Dicke von zwei atomaren Schichten ist). Die Dickenunterschiede zwischen den Sätzen 98a bis 98f der Schichtpaare 92 sind durch die quantisierte Natur der Atomgröße begrenzt und müssen nicht genau sein. Zum Beispiel kann die tiefengradierte Mehrfachschicht 90 6 Sätze von 40 Pt/Al₂O₃-Schichtpaaren oder 40 W/Al₂O₃-Schichtpaaren mit d-Abständen im Bereich von 3 nm bis 4,5 nm um etwa 0,3 nm pro Satz umfassen. Die mindestens eine tiefengradierte Mehrfachschicht 90 unterscheidet sich wesentlich von den Mehrfachschichten, die am häufigsten für Monochromatoren verwendet werden. Zum Beispiel weisen bei Monochromatoren alle Schichtpaare untereinander die gleiche Dicke auf. Für ein anderes Beispiel ist die typische Anzahl von Schichtpaaren, die in Monochromatoren verwendet werden (z. B. zwischen 10 und 40), mindestens etwa 3-4 mal kleiner als die Gesamtzahl von Schichtpaaren 92 der tiefengradierten Mehrfachschicht 90 (z. B. zwischen 100 und 500; zwischen 150 und 400; zwischen 200 und 300).
In bestimmten Ausführungsformen ist das optische Röntgenfokussierungselement 70 ferner dazu konfiguriert, unerwünschte Hintergrundbeiträge bei spezifischen Röntgenenergien, die andernfalls die interessierenden Spurenelementsignale verdecken würden, zu verringern (z. B. um mindestens den Faktor 12). Die Hauptkomponente dieses unerwünschten Hintergrundbeitrags ist das Bremsstrahlungskontinuum aus der Laborröntgenquelle 40. Bisher wurden zwei herkömmliche Ansätze verwendet, um den Hintergrund B_j,k zu minimieren: (i) einen Kristall- oder Mehrfachschichtmonochromator, um einen Röntgenanregungsstrahl mit einer schmalen Energiebandbreite zu erhalten, jedoch auf Kosten eines wesentlich verringerten Flusses, und (ii) ein Spektralfilter (z. B. eine Folie), um einen Teil der „unerwünschten“ Röntgenstrahlen zu absorbieren. Beide herkömmlichen Ansätze weisen jedoch große Einschränkungen für microXRF im Labor auf, insbesondere für Anwendungen mit höherer Auflösung, bei denen die Fokuspunktgröße kleiner als 8 µm ist. Der Monochromator-Ansatz stellt nur eine begrenzte Menge an Fluss bereit, da nur ein geringer Bruchteil des Röntgenspektrums verwendet wird (z. B. es wird nur eine Röntgenenergie, wie etwa die Au-Lα-Energie von 9,713 keV, verwendet). Zusätzlich gibt es technische Herausforderungen, die mit den gegenstehenden Anforderungen verbunden sind:

(i) Sammeln von Röntgenstrahlen über einen großen Raumwinkel, um einen gut fokussierten Röntgenfluss zu erhalten, und (ii) die Notwendigkeit hochkollimierter Röntgenstrahlen zur Verwendung mit Monochromatoren, was schwieriger wird, wenn Röntgenstrahlen mit mehreren Winkeleinfällen gesammelt werden, um die Anforderung (i) zu erfüllen. Infolgedessen wird der Monochromator-Ansatz fast ausschließlich an Synchrotrons durchgeführt, und kein microXRF-Laborsystem verwendet diesen Ansatz.

4A veranschaulicht schematisch (i) ein beispielhaftes idealisiertes erstes Röntgenspektrum in einem vorbestimmten Raumwinkelbereich einer Elektronenstoß-Röntgenquelle 40 umfassend ein Au-Ziel 42, (ii) die K-Kanten-Absorptionsenergien von Fe, Cu und Zn (bei 7,11 keV, 8,98 keV bzw. 9,66 keV) und deren entsprechende Kα-charakteristische Röntgenenergien (bei 6,4 keV, 8,05 keV bzw. 8,64 keV), und (iii) ein beispielhaftes idealisiertes zweites Röntgenspektrum in dem Raumwinkelbereich und entsprechend dem ersten Röntgenspektrum unter Verwendung absorbierender Spektralfilter umfassend eine 15 µm dicke Cr-Folie, die in dem Weg der Röntgenstrahlen von der Röntgenquelle 40 platziert ist. Die K-Kanten-Absorptionsenergie ist die minimale Röntgenenergie, die erforderlich ist, um die K-Schalen-Elektronen des entsprechenden Elements zu ionisieren und charakteristische K-Linien-Fluoreszenzröntgenstrahlen zu erzeugen. Das beispielhafte erste Röntgenspektrum enthält scharfe charakteristische L-Linien des Au-Ziels 42 und der Bremsstrahlungsstrahlung des Kontinuums B (die Hauptkomponente des Hintergrunds B_j,k). Um die Röntgenstrahlen von der Röntgenquelle 40 (z. B. Bremsstrahlungsröntgenstrahlen) mit Energien, die den Energien der Fe-, Cu- und Zn-Kα-Linien entsprechen, zu verringern, umfasst der spektrale Absorptionsfilter ein Filtermaterial mit einer Ionisierungsenergie niedriger als die Fe-Kα-Linie. Wie in 4A gezeigt, resultiert der 15 µm dicke Absorptionsspektralfilter aus Cr-Folie in der Absorption von Röntgenstrahlen höherer Energie und verringert den Hintergrundanteil des zweiten Röntgenspektrums, das durch den Absorptionsspektralfilter durchgelassen wird, in einer Bandbreite von Röntgenenergien entsprechend den Fe-, Cu- und Zn-Kα-Linien. Der absorbierende Spektralfilter verringert jedoch auch die nützlichen Röntgenenergien oberhalb der K-Kanten-Absorptionsenergien dieser Elemente signifikant, was zu einer unerwünschten Verringerung des Röntgenfluoreszenzsignals F_j,k führt.
Im Gegensatz dazu veranschaulicht 4B schematisch (i) das beispielhafte idealisierte erste Röntgenspektrum in einem vorbestimmten Raumwinkelbereich, und (ii) die K-Kanten-Absorptionsenergien von Fe, Cu und Zn und deren entsprechende Kα-charakteristische Röntgenenergien aus 4A, und (iii) ein beispielhaftes idealisiertes zweites Röntgenspektrum in dem Raumwinkelbereich und entsprechend dem ersten Röntgenspektrum unter Verwendung eines optischen Röntgenfokussierungselements 70 mit einer tiefengradierten Mehrfachschicht 90 gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Die tiefengradierte Mehrfachschicht 90 ist dazu konfiguriert, als „Sperrfilter“ zu dienen, bei dem die Intensität des zweiten Röntgenspektrums (z. B. der reflektierten und fokussierten Röntgenstrahlen) relativ zu dem ersten Röntgenspektrum (z. B. von den Röntgenstrahlen, die auf die tiefengradierte Mehrfachschicht 90 einfallen) nur in einer bestimmten Bandbreite verringert ist, während der Rest des Röntgenspektrums im Wesentlichen erhalten bleibt (z. B. ist das zweite Röntgenspektrum im Wesentlichen gleich dem ersten Röntgenspektrum). Zum Beispiel, wie schematisch durch 4B veranschaulicht, wird das zweite Röntgenspektrum nur für die Röntgenenergien in der Bandbreite des Hintergrunds verringert, die die Fe-, Cu- und Zn-Kα-Linien überlappen, während die nützlichen Röntgenstrahlen mit höherer Energie (z. B. Energien über der K-Kanten-Absorptionsenergie von Zn) effizient beibehalten werden, wodurch eine optimale Fluoreszenzanregung der interessierenden Elemente bereitgestellt wird. In bestimmten solchen Ausführungsformen wird der Hintergrund B_j,k verringert (z. B. minimiert), während ein hohes Röntgenfluoreszenzsignal F_j,k aufrechterhalten wird.
In bestimmten Ausführungsformen ist das optische Röntgenfokussierungselement 70 (z. B. umfassend das mindestens eine Substrat 72 und die mindestens eine Schicht 74, die die tiefengradierte Mehrfachschicht 90 umfasst) dazu konfiguriert, ein nahezu optimales Spektrum für die beabsichtigte Anwendung bereitzustellen. Zum Beispiel haben Röntgenstrahlen, die von einer Position auf der tiefengradierten Mehrfachschicht 90 reflektiert werden, bei Anwendung der Bragg-Gleichung (2d · sin θ = λ) eine spektrale Bandbreite von etwa 45- 50 Die niedrigste Röntgenenergie, die durch die tiefengradierte Mehrfachschicht 90 reflektiert wird, ist durch den größten Einfallswinkel, der sich an dem stromabwärtigen Ende 78 des ellipsenförmigen Teils des optischen Röntgenfokussierungselements 70 befindet (z. B. das Ende 78, das sich am weitesten von der Röntgenquelle 40 entfernt befindet; siehe 3A), und die größte Dicke (z. B. d-Abstand) (z. B. 4,5 nm) gegeben.
5A zeigt zwei beispielhafte Röntgenspektren, die von dem stromabwärtigen Ende 78 des ellipsenförmigen Teils des optischen Röntgenfokussierungselements 70 mit einem Einfallswinkel von 16,7 mrad (0,93 Grad) für 4,5 nm bzw. 3 nm d-Abstände reflektiert werden. Die drei Fluoreszenzlinien von Fe, Cu und Zn bei 6,4 keV, 8,05 keV bzw. 8,64 keV liegen innerhalb eines Bereichs von Röntgenenergien, die durch den ellipsenförmigen Teil des optischen Röntgenfokussierungselements 70 nicht wesentlich reflektiert werden. Die niedrigste Röntgenenergie, die bei einem Einfallswinkel von 16,7 mrad durch den Satz 98 von Schichtpaaren 92 mit Dicken (z. B. d-Abstand) von 4,5 nm reflektiert wird, ist gleich 8,86 keV, was etwa 200 eV höher als die Energie der Zn-Kα-Linie ist. Die Röntgenenergie, die bei einem Einfallswinkel von 16,7 mrad durch den Satz 98 von Schichtpaaren 92 mit Dicken (z. B. d-Abstand) von 3 nm reflektiert wird, ist gleich 13 keV. Somit reicht der Energiebereich der Röntgenstrahlen, die durch die tiefengradierte Mehrfachschicht 90 an dem stromabwärtigen Ende 78 des optischen Röntgenfokussierungselements 70 (gezeigt als die schattierte Region in 5A) reflektiert wird, von 8,86 keV bis 13 keV, was alle drei intensiven L-Linien eines Au-Ziels und auch das Bremsstrahlungskontinuum beinhaltet.
5B zeigt zwei beispielhafte Röntgenspektren, die von dem stromaufwärtigen Ende 76 des ellipsenförmigen Teils des optischen Röntgenfokussierungselements 70 mit einem Einfallswinkel von 12,5 mrad (0,72 Grad) für 4,5 nm bzw. 3 nm d-Abstände reflektiert werden. Die drei Fluoreszenzlinien von Fe, Cu und Zn bei 6,4 keV, 8,05 keV bzw. 8,64 keV liegen innerhalb eines Bereichs von Röntgenenergien, die durch den ellipsenförmigen Teil des optischen Röntgenfokussierungselements 70 nicht wesentlich reflektiert werden. Der Energiebereich, der durch die tiefengradierte Mehrfachschicht 90 an dem stromaufwärtigen Ende 76 des optischen Röntgenfokussierungselements 70 (gezeigt als die schattierte Region in 5B) reflektiert wird, reicht von 11,3 keV bis 17 keV, was zwei von drei intensiven L-Linien eines Au-Ziels (11,44 keV und 11,61 keV) und auch das Bremsstrahlungskontinuum beinhaltet. Die 9,71-keV-L-Linie von Au liegt nicht in diesem Röntgenenergiebereich, jedoch verfügt nur die stromabwärtige Hälfte (50 %) der Spiegellänge über einen ausreichend großen Einfallswinkel, um die Bedingung der Bragg-Reflexion zu erfüllen, so dass der Gesamtsammelwinkel für diese Linie etwa 50 % des Gesamtsammelwinkels für die zwei anderen Au-Linien beträgt. Der damit verbundene Verlust des reflektierten Flusses dieser Linie wird jedoch durch den Röntgenfluss des Bremsstrahlungskontinuums über den weiten Bereich von 4 keV Energiebandbreite mehr als ausgeglichen. Die Intensität der intensivsten L-Linien von Au ist etwa 1000-fach höher als das Bremsstrahlungskontinuum über die Energiebreite der Linien (z. B. etwa 4 eV), so dass der Röntgenfluss des fokussierten zweiten Röntgenstrahls 32 mehr als 50 % des Bremsstrahlungskontinuums enthalten kann. Es ist zu beachten, dass die niedrigste Energie des Kontinuums 8,9 keV beträgt, was höher als die Energie der Zn-Kα-Linie ist. Daher trägt das Kontinuum wenig zum Hintergrund B_j,k bei, trägt jedoch signifikant zum Fluoreszenzsignal F_j,k für Fe, Cu und Zn bei.
Wie in 5A und 5B gezeigt, stellt in bestimmten Ausführungsformen die tiefengradierte Mehrfachschicht 90 des optischen Röntgenfokussierungselements 70 eine spektrale „Sperrfilterung“ bereit, die ähnlich der in 4B gezeigten ist und die den Hintergrund B_j,k verringert, während Röntgenstrahlen von Energien, die vorteilhaft sind (z. B. nahezu optimal), zum effizienten Erzeugen von Fluoreszenzsignalen für Elemente mit Ionisierungsabsorptionskantenenergien unter 8,9 keV reflektiert und fokussiert werden. Zusätzlich, um das Fluoreszenzsignal F_j, _k zu erhöhen, erhöht in bestimmten Ausführungsformen die tiefengradierte Mehrfachschicht 90 des optischen Röntgenfokussierungselements 70 vorteilhafterweise den Raumwinkel der Sammlung von Röntgenstrahlen von der Röntgenquelle 40 im Vergleich zu dem, was unter Verwendung einer herkömmlichen Fokussieroptik erreicht wird, die mit einer einzelnen Schicht eines Materials mit hoher Ordnungszahl (Z) beschichtet ist.
Wie in den beispielhaften Reflexionsvermögensspektren aus 5A und 5B gezeigt, kann das Röntgenreflexionsvermögen für das optischen Röntgenfokussierungselement 70 für Energien zwischen 5 keV und 8,9 keV weniger als 5 % betragen. Daraus resultierend kann der Hintergrund B_j,k aufgrund eines elastischen Streuens der einfallenden Röntgenstrahlen über den Energiebereich von 5 keV bis 8,9 keV (z. B. die Fe-, Cu- und Zn-Kα-Fluoreszenzlinien abdeckend) um mehr als einen Faktor von 12 (z. B. um einen Faktor ungefähr gleich dem Verhältnis des Mindeströntgenreflexionsvermögens von 60 % geteilt durch 5 %) unterdrückt werden. Diese Hintergrundunterdrückung kann den Nachweis von biologisch wichtigen Elementen (z. B. Fe, Co, Cu, Zn) und anderen Elementen mit charakteristischen Röntgenstrahlen innerhalb dieses Energiebereichs verbessern. Zusätzlich ist in bestimmten Ausführungsformen der Bragg-(Einfalls-)Winkel der tiefengradierten Mehrfachschicht 90 von 16,7 mrad etwa 2,8-fach größer als der kritische Winkel eines Spiegels, der mit einer einzelnen 30 nm dicken Au-Schicht für Röntgenstrahlen von 11,6 keV beschichtet ist (z. B. etwa 6,2 mrad), was in einer Sammlung mit großem Raumwinkel von Röntgenstrahlen von der Röntgenquelle 40 resultiert. In bestimmten Ausführungsformen umfasst das zweite Röntgenspektrum, das von dem optischen Röntgenfokussierungselement 70 reflektiert und fokussiert wird, auch die L-Linien und das Kontinuum von Au und kann aufgrund dessen, dass diese Röntgenstrahlen geringfügig über der Zn-K-Absorptionskante und nicht weit über den K-Absorptionskanten von Fe und Cu liegen, nahezu optimal sein, um große Fluoreszenzquerschnitte und -signale zu erzeugen.
In bestimmten Ausführungsformen liefert die Kombination des erhöhten Röntgenfluoreszenzsignals und der Verringerung des Hintergrunds eine signifikante Verstärkung des Signal-Rausch-Verhältnisses und der Bildgebungsgeschwindigkeit zum Bildgeben der interessierenden Elemente. Zum Beispiel, wie ausführlicher hierin beschrieben, wird die Gütezahl (figure of merit - FOM) von bestimmten Ausführungsformen durch das Maximieren des Flusses von Röntgenstrahlen von Energie größer ist als die K-Kantenabsorptionsenergie, um das Fluoreszenzsignal F_j, _k zu erhöhen, und Minimieren des Hintergrunds B_j, _k maximiert. Neben Beispielen wie etwa Fe, Cu und Zn (wie in 4A, 4B, 5A und 5B gezeigt), können viele andere Elemente unter Verwendung bestimmter hierin beschriebener Ausführungsformen vorteilhafterweise analysiert werden, zum Beispiel Elemente mit charakteristischen Fluoreszenzröntgenstrahlen mit Energien in einem Bereich zwischen 5 keV und 8,9 keV (z. B. die K-Fluoreszenzlinien von Cr, Mn, Co und Ni; die L-Fluoreszenzlinien von verschiedenen Elementen seltener Erden).
Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen können durch eine Gütezahl (FOM) gekennzeichnet werden, die die Leistung des microXRF-Systems angibt. Die minimale Nachweisgrenze (minimum detection limit - MDL) mittels Röntgenfluoreszenzanalyse ist proportional zu 3* F_j,k/sqrt(B_j,k), d. h. MDL ~ 3 F'_j,k/sqrt(B'_j,k) = 3*F_j,k*T/*sqrt(B_j,k*T) = 3* sqrt(T)*F_j,k/ sqrt(B_j,k), wobei F'_j,k und F_j,k die Gesamtnettozahl bzw. die Zählrate (Zählungen/s) von Fluoreszenzröntgenstrahlen eines Elements j für eine gegebene charakteristische Röntgenfluoreszenzlinie k, die über das Detektor-Energieauflösungsband integriert ist, ist und B'_j,k und B_j,k die Gesamtnettozahlen bzw. die Zählrate (Zählungen/s) des Hintergrunds unter dem Röntgenfluoreszenzsignal (F_j,k), integriert über das gleiche Detektor-Energieauflösungsband, sind. Daher ist die Zeit T, die erforderlich ist, um eine gegebene MDL zu erhalten, proportional zu B_j,k / F² _j,k, das als Gütezahl (FOM) definiert werden kann: $FOM \sim F^{2}_{j, k} / B_{j, k}$
Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen basieren vorteilhaft mindestens teilweise auf dem Erhöhen (z. B. Maximieren) des Röntgenfluoreszenzsignals (F_j,k) und/oder dem Verringern (z. B. Minimieren) des Hintergrundbeitrags (B_j,k).
Das Röntgenfluoreszenzsignal (F_j,k), das von einem energiedispersiven Detektor 60 in einem Röntgen-microXRF-System erfasst wird, ist ungefähr gegeben durch: $F_{j, k} = F * σ_{j, k} (E) * N_{j} * Ω * η / 4 π$
wobei F der Fluss des einfallenden fokussierten zweiten Röntgenstrahls ist, σ_j,k(E) der Röntgenfluoreszenzquerschnitt des Elements j für die Kennlinie k mit der Energie E ist ist, N_j die Anzahl der Atome ist des Elements j in dem beleuchteten Volumen ist, Ω der Raumwinkel des Detektors in Steradianten ist und η ein Parameter ist, der Verluste berücksichtigt, einschließlich der Detektordetektionseffizienz und der Dämpfung der Fluoreszenzröntgenstrahlen von dem Produktionspunkt zu dem Detektor.
Bei einer Bewertung eines microXRF-Systems (z. B. einem Vergleich zwischen verschiedenen microXRF-Systemen) ist N_j die Konzentration der zu messenden Elemente und sollte konstant gehalten werden. Der Raumwinkel Ω des Detektors und der Verlustparameter η hängen weitgehend von dem Detektor und der Physik ab (Selbstdämpfung) und können im Prinzip in den meisten microXRF-Systemen umgesetzt werden. Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen basieren vorteilhafterweise mindestens teilweise auf dem Erhöhen (z. B. Maximieren) des einfallenden fokussierten Röntgenstrahlflusses F und/oder dem Erhöhen (z. B. Maximieren) des Röntgenfluoreszenzquerschnitts σ_j,k(E).
In Bezug auf das Erhöhen (z. B. Maximieren) des einfallenden fokussierten Röntgenstrahlflusses F kann der einfallende fokussierte Röntgenfluss F ausgedrückt werden als: $F = B * L^{2} * {(2 N A)}^{2}$
wobei B das Produkt der Helligkeit B der Röntgenquelle an der Probe ist, wobei die Helligkeit B als Anzahl der Röntgenstrahlen pro Flächeneinheit und pro Raumwinkeleinheit, die die Probe beleuchten, definiert ist (und nicht mit dem Hintergrundbeitrag B_j,k zu verwechseln ist), L die Fokuspunktgröße ist und NA die numerische Apertur (die mit dem Raumwinkel der Sammlung zusammenhängt) der Röntgenfokussierungsoptik ist. Das Produkt aus L² und (2NA)² ist das Quadrat des Phasenraums des fokussierten Röntgenstrahls.
Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen basierend vorteilhafterweise mindestens teilweise auf dem Erhöhen (z. B. Maximieren) der Helligkeit B der Röntgenquelle und dem Erhöhen (z. B. Maximieren) des Sammelraumwinkels des optischen Röntgenfokussierungselements 70 für eine gegebene Sondenpunktgröße L. Beispielsweise kann eine hohe Quellenhelligkeit unter Verwendung einer mikrostrukturierten Zielröntgenquelle 40 erreicht werden (siehe z. B. US-Pat. Nr. 9,874,531, 9,823,203, 9,719,947, 9,594,036, 9,570,265, 9,543,109, 9,449,781, 9,448,190 und 9,390,881 ), von denen jedes in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist), die Metallziele 42 in Mikrometergröße auf oder eingebettet ist einem Anodensubstrat 44 (z. B. Diamant) umfasst. Die Helligkeit B einer Elektronenbeschuss-Röntgenquelle 40 ist direkt proportional zu der Elektronenleistungsdichte an der Anode, die durch das Schmelzen der Anode und damit die Wärmeableitungseigenschaften der Anode begrenzt werden kann. Aufgrund der hervorragenden thermischen Eigenschaften von Diamant mit einer Wärmeleitfähigkeit, die fünfmal so hoch ist wie die von Au bei Raumtemperatur, beschicken bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen die Anode vorteilhafterweise mit wesentlich höheren Elektronenleistungsdichten innerhalb eines Punkts (z. B. Punktgröße 8-10 µm) als solche, die für Massenmetallanoden verwendet werden, wie sie in herkömmlichen Quellen verwendet werden. Zusätzliche Vorteile der mikrostrukturierten Anode umfassen (i) den hohen Temperaturgradienten zwischen den Metallzielen 42 in Mikrometergröße und dem umgebenden Diamantsubstrat 44 aufgrund der unterschiedlichen Energiedepositionsrate der einfallenden Elektronen, die proportional zu der Massendichte ist, in dem Metallmaterial des Ziels 42 (mit höherer Massendichte) gegenüber dem Diamantsubstrat 44 (mit niedrigerer Massendichte) und/oder (ii) dass die geringe Größe der Mikrostrukturziele 42 einen maximalen Kontakt zwischen dem Mikrostrukturtarget 42 und dem Diamantsubstrat 44 aufweist. Die mikrostrukturierte Röntgenquelle 40 ermöglicht auch die Verwendung eines oder mehrerer Metallmaterialien für das Ziel 42 mit röntgenspektralen Eigenschaften, die für die beabsichtigten Anwendungen (z. B. Au) optimal sind und/oder die sonst unpraktisch zu benutzen wären.
In Bezug auf das Erhöhen (z. B. Maximieren) des Röntgenfluoreszenzquerschnitts σ_j,k(E) ist der Röntgenfluoreszenzquerschnitt σ_j,k(E) gleich dem Produkt des Ionisationsquerschnitts und der Fluoreszenzausbeute der Kennlinie, die für ein gegebenes Element konstant ist. Der Ionisationsquerschnitt hängt stark von der Energie des einfallenden Röntgenstrahls E ab und ist proportional zu (E-E_j,k)^-3, wie auch der Röntgenfluoreszenzquerschnitt, d. h.: $σ_{j, k} (E) \sim {(E - E_{j, k})}^{- 3}$
wobei E_j,k die Photonenionisationsenergie des Elements j zum Erzeugen der Kennlinie k ist.
Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen basieren vorteilhafterweise mindestens teilweise auf der Auswahl der Röntgenenergie des Anregungsstrahls, um die Menge (E-E_j,k)^-3 zu erhöhen (z. B. zu maximieren). So kann beispielsweise ein mikrostrukturiertes Ziel 42, das Au umfasst, nahezu optimale Spektren für σ_j,k(E) für viele Elemente bereitstellen, einschließlich unter anderem: Fe, Cu und Zn. 6 zeigt eine Tabelle, die die Röntgenfluoreszenzquerschnitte von Fe, Cu und Zn (verwendet in 6 als Benchmark-Beispiele) bei vier Röntgenanregungsenergien auflistet: zwei L-Hauptlinien von Au (9,71 keV und 11,44 keV) und zwei K-Kennlinien von Cu und Mo, was Zielmaterialien sind, die in herkömmlichen Röntgenquellen weit verbreitet sind. Andere weit verbreitete Zielmaterialien in herkömmlichen Röntgenquellen, wie etwa W und Cr, können für die beabsichtigten Anwendungen ungeeignet sein, da die L-Kennlinien von W und die K-Linien von Cr niedriger als die K-Absorptionskanten von Cu und Zn sind. Wie in 6 gezeigt, weisen die zwei Röntgen-L-Hauptlinien von Au Energien oberhalb der K-Absorptionskanten von Fe, Cu und Zn auf (z. B. drei biologisch wichtige Spurenelemente) und weisen große Fluoreszenzquerschnitte auf, die dreimal größer als die Fluoreszenzquerschnitte dieser Elemente unter Verwendung der K-Kennlinie einer Mo-ZielRöntgenquelle sind. Daher kann eine Röntgenquelle mit einem mikrostrukturierten Au-Ziel signifikant bessere spektrale Eigenschaften zur Erzeugung von Röntgenfluoreszenzsignalen für die drei biologisch wichtigen Elemente in 6 bereitstellen. Diese drei Elemente (Fe, Cu, Zn) werden hier als Benchmark-Elemente erörtert, weil: 1) sie in Mengen stark im Spurenbereich vorliegen und 2) sie aufgrund der verschiedenen Pathologien im Zusammenhang mit ihrer Dysregulation und der Art dieser Spurenelemente bei verschiedenen biomedizinischen Forschern von besonderem Interesse sind. Bestimmte Ausführungsformen, die eine mikrostrukturierte Röntgenquelle 40 von Au nutzen, wie hierin beschrieben, können jedoch auch für viele andere interessierende Spurenelemente vorteilhaft sein, einschließlich unter anderem: Mn, Co, Ni, Pt usw., die jeweils eine oder mehrere Fluoreszenzlinien im dem Energieband von 5 keV bis 8,9 keV aufweisen.
In Bezug auf die Verringerung des Hintergrundbeitrags (B_j,k) ergibt sich der Hintergrundbeitrag B_j,k des in einem microXRF-System aufgezeichneten Röntgenspektrums aus zwei Hauptfaktoren: (i) einfallende Röntgenstrahlen, die durch die Probe 50 gestreut werden und durch den energiedispersiven Detektor 60 erfasst werden (und die Energien innerhalb der gleichen Energiebandbreite des entsprechenden Fluoreszenzsignals aufweisen) und (ii) unvollständige Ladungssammlung des energiedispersiven Detektors 60, angegeben als Peak-Hintergrund (P/B)-Verhältnis. Da weit verbreitete energiedispersive Detektoren 60 typischerweise ein großes P/B-Verhältnis aufweisen (z. B. gleich 20.000), wird der Hintergrundbeitrag B_j,k durch gestreute einfallende Röntgenstrahlen für ein microXRF-System dominiert. Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen basieren vorteilhafterweise mindestens teilweise auf dem Verringern (z. B. Minimieren) der einfallenden Röntgenstrahlen innerhalb der Energiebandbreite des entsprechenden Fluoreszenzsignals/der entsprechenden Fluoreszenzsignale von Spurenpegelelementen, um B_j,k zu verringern (z. B. zu minimieren), wodurch eine große FOM für biologisch relevante Spurenelemente erreicht wird. Diese Verringerung von B_j,k kann besonders vorteilhaft sein, wenn Spurenelemente mit schwachen Röntgenfluoreszenzsignalen (F_j,k) analysiert werden.
In bestimmten Ausführungsformen ist das fokussierende röntgenoptische Element 70, das die tiefengradierte Mehrfachschicht 90 umfasst, dazu konfiguriert, eine wesentliche Verbesserung gegenüber herkömmlicher fokussierender Röntgenoptik (z. B. einer Röntgenoptik, die eine Beschichtung mit einer einzelnen Schicht aus Pt umfasst) bereitzustellen. Zum Beispiel kann das optische Röntgenfokussierungselement 70, das die tiefengradierte Mehrfachschicht 90 umfasst, die folgenden Attribute enthalten:

• 1,6 µm Auflösung (Fokuspunktgröße) durch Verkleinern der Quelle von 8 µm um einen Faktor von 5;
• Kleine Verringerung der Röntgenfluoreszenzsignale (F_j,k) (z. B. um einen Faktor von 0,49) mit der kleinen fokussierten Punktgröße von 1,6 µm. Die geringe Verringerung von F_j,k kann auf die folgende Kombination von Faktoren zurückzuführen sein:
- ◯ Erhöhung des Raumwinkels der Sammlung von Röntgenstrahlen von der Röntgenquelle durch das mehrfachschichtbeschichtete optische Röntgenfokussierungselement (NA² in Ausdruck (3)) aufgrund der Bragg-Winkelreflexion der Mehrfachschichten um den Faktor 9 ist dreimal größer als der kritische Winkel einer einzelnen Pt-Beschichtung herkömmlicher optischer Röntgenfokussierungselemente;
- ◯ Mehrschichtreflexionsvermögen von 45 % (η in Ausdruck (2)),
- ◯ Verringerung des Fokusgrößenbereichs (L² in Ausdruck (3)) um den Faktor 25, und
- ◯ Erhöhung der Röntgenfluoreszenzquerschnitte σ_j,k(E) in Ausdruck (2)) um den Faktor 3 aufgrund der Au-L-Linien mit größeren Fluoreszenzquerschnitten von Fe, Cu, Zn.
- ◯ Multiplizieren dieser Faktoren zusammen resultiert in einer Nettoänderung von F_j,k um (9*0,45*3/25) = 0,49.
• Verringerung (z. B. um mehr als einen Faktor 12) der Hintergrundzählrate B_j,k über den Röntgenenergiebereich von 5 keV-8,9 keV zur Bildgebung von Fe, Cu und Zn aufgrund von Verringern (z. B. um mehr als einen Faktor 12) des Bremsstrahlungskontinuums über den Energiebereich in dem einfallenden fokussierten Röntgenstrahl.
• Erhöhung (z. B. um mindestens den Faktor 3 = 0,49²* 12) in der kombinierten Nettozunahme der FOM (siehe z. B. Ausdruck (1)), beinhaltend die Zunahme von der mikrostrukturierten Au-Anode.

In bestimmten Ausführungsformen ergibt sich die Nettozunahme der FOM (Ausdruck (1)) um einen Faktors 3 im Vergleich zu anderen microXRF-Systemen aus einer Kombination der Folgenden: einer 3-fachen Erhöhung der relativen Zunahme an Fluoreszenzquerschnitt des fokussierten zweiten Röntgenstrahls 32, einer 9-fachen Zunahme der Raumwinkelsammlung von Röntgenstrahlen von der Röntgenquelle 40, versetzt um 45 % Mehrschichtreflexionsvermögen, einer 12-fachen Verringerung des unerwünschten Hintergrunds und eines 25-fachen Verlusts der Anzahl der Metallatome aufgrund der Verringerung der Fläche aufgrund der 5-fach höheren Auflösung (z. B. 5: 1-Verkleinerung).
Eine große Herausforderung für laborbasierten microXRF besteht darin, Spurenkonzentrationen der großen Anzahl biologisch wichtiger Elemente mit ausreichender Empfindlichkeit und akzeptablen Geschwindigkeiten abzubilden. Dies kann bei hohen Auflösungen noch schwieriger sein. Die FOM eines laborbasierten microXRF-Systems kann die Zeit angeben, die erforderlich ist, um Elemente mit Spurenkonzentration in biologischen Proben mit ausreichender Nachweisempfindlichkeit bei hoher räumlicher Auflösung, was ein wichtiges Maß für die Leistung eines laborbasierten microXRF-Systems ist, abzubilden. Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen können solche Bilder in kürzerer Zeit als herkömmliche Systeme bereitstellen.
In bestimmten Ausführungsformen können bei großen Einfallswinkeln der tiefengradierten Mehrfachschicht 90 Röntgenstrahlen mit niedrigerer Energie (z. B. bis zu 4 keV) mit relativ hoher Effizienz reflektiert werden, und diese Energien können oberhalb der K-Absorptionskanten von P und S liegen. In bestimmten Ausführungsformen ist ein Dünnfilmfilter (z. B. etwa 5 mm dickes Si) in dem fokussierten Röntgenstrahlengang positioniert, um den unerwünschten Hintergrund unter den Fluoreszenzlinien von P und S zu unterdrücken. 7 zeigt die Unterdrückung eines unerwünschten Hintergrunds unter der K-Linienfluoreszenz von K und S unter Verwendung eines 5 mm dicken Si-Filters gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Die Zunahme des Raumwinkels der Sammlung der Röntgenstrahlen von der Röntgenquelle 40 führt zu einer Zunahme des Flusses der fokussierten Röntgenstrahlen bei Energien oberhalb der K-Absorptionskantenenergien von P und S (z. B. um etwa das 5-fache, was ungefähr dem 9-fachen, multipliziert mit dem in den 5A und 5B gezeigten Reflexionsvermögen, entspricht). Die kombinierten Vorteile des vergrößerten Raumwinkels der Sammlung und der Hintergrundunterdrückung können durch einen 25-fachen Verlust der Anzahl der P- und S-Atome in der/dem untersuchten Fläche/Volumen aufgrund der 5-fach höheren Auflösung (z. B. 5: 1-Verkleinerung) ausgeglichen werden. Dieses Nettoergebnis liefert in Kombination mit ihrer natürlich höheren Konzentration ausreichende Fluoreszenzsignale für die Bildgebung.
8A-8D veranschaulichen schematisch verschiedene andere Beispiele des optischen Röntgensystems 10 gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Wie schematisch durch die 8A-8D veranschaulicht, umfasst das mindestens eine optische Röntgenelement 20 (z. B. Spiegel) mindestens ein erstes optisches Röntgenelement 22 (z. B. Spiegel) und mindestens ein zweites optisches Röntgenelement 24 (z. B. Spiegel). Das mindestens eine erste optische Röntgenelement 22 ist dazu konfiguriert, mindestens einen Teil eines ersten Röntgenstrahls 12 mit einem ersten Energiespektrum zu empfangen und mindestens einige der Röntgenstrahlen 26 des Teils des ersten Röntgenstrahls 12 zu reflektieren (z. B. können die Röntgenstrahlen 26 ein Energiespektrum aufweisen, das im Wesentlichen dem ersten Energiespektrum entspricht oder sich wesentlich von diesem unterscheidet). Das mindestens eine zweite optische Röntgenelement 24 ist dazu konfiguriert, mindestens einige der Röntgenstrahlen 26 von dem mindestens einen ersten optischen Röntgenelement 22 zu empfangen, einen zweiten Röntgenstrahl 32, umfassend einen durchgelassenen (z. B. nicht reflektierten und nicht absorbierten) Teil der Röntgenstrahlen 26, die von dem mindestens einen ersten optischen Röntgenelement 22 empfangen wurden, durchzulassen und um einen reflektierten Teil 34 der Röntgenstrahlen 26, die von dem mindestens einen optischen Röntgenelement 22 empfangen wurden, zu reflektieren. Der zweite Röntgenstrahl 32 weist ein zweites Energiespektrum mit einer im Vergleich zu dem ersten Energiespektrum verringerten Intensität in einem vorbestimmten Bereich von Röntgenenergien auf. Wie schematisch durch 8B veranschaulicht, kann das optische Röntgensystem 10 ferner eine Röntgenquelle 40 umfassen, die dazu konfiguriert ist, den ersten Röntgenstrahl 12 zu erzeugen, und wie dies schematisch durch 8C und 8D veranschaulicht, kann das optische Röntgensystem 10 ferner mindestens einen Röntgendetektor 60 umfassen, der dazu konfiguriert ist, Fluoreszenzröntgenstrahlen 52 von einer Probe 50 (z. B. von der ersten Oberfläche 54, die von dem zweiten Röntgenstrahl 32 bestrahlt wird, und/oder von einer zweiten Oberfläche 56 gegenüber der ersten Oberfläche 54, die durch den zweiten Röntgenstrahl 32 bestrahlt wird) zu erfassen.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst das mindestens eine erste optische Röntgenelement 22 mindestens einen Röntgenkondensator (z. B. mindestens ein optisches Röntgenelement, das dazu konfiguriert ist, Röntgenstrahlen zu sammeln und lenken) mit einem reflektierenden Grenzflächenbereich (z. B. Oberfläche), der dazu konfiguriert ist, mindestens einige der Röntgenstrahlen des ersten Röntgenstrahls 12 zu empfangen und mindestens einige der empfangenen Röntgenstrahlen 26 des ersten Röntgenstrahls 12 zu reflektieren (z. B. bei Streiflichteinfall; totale externe Reflexion). In bestimmten Ausführungsformen ist das mindestens eine erste optische Röntgenelement 22 einheitlich (z. B. ein einzelnes Stück) und ist um eine Längsachse axialsymmetrisch. Zum Beispiel kann das mindestens eine erste optische Röntgenelement 22 eine hohle axialsymmetrische Röhre oder einen Teil einer Röhre (z. B. eine Kapillare) umfassen, die sich entlang einer Längsachse erstreckt und eine Innenfläche (z. B. eine Spiegelfläche) umfasst, die sich vollständig um die Längsachse erstreckt (z. B. die Längsachse umgibt; sich um 360 Grad um die Längsachse erstreckt). In bestimmten anderen Ausführungsformen umfasst das mindestens eine erste optische Röntgenelement 22 mindestens einen Teil einer hohlen axialsymmetrischen Struktur (z. B. einen Teil einer axialsymmetrischen Röhre), der sich entlang der Längsachse mit einer Innenfläche erstreckt, die sich nur teilweise um die Längsachse erstreckt (z. B. weniger als 360 Grad; in einem Bereich von 45 Grad bis 360 Grad; in einem Bereich von 45 Grad bis 315 Grad; in einem Bereich von 180 Grad bis 360 Grad; in einem Bereich von 90 Grad bis 270 Grad). In bestimmten Ausführungsformen umfasst das mindestens eine erste optische Röntgenelement 22 mehrere Teile (z. B. 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr), die voneinander getrennt sind (z. B. mit Zwischenräumen zwischen den Teilen) und die um die Längsachse verteilt sind, wobei sich die Oberfläche jedes Teils mindestens teilweise um und entlang der Längsachse erstreckt. Beispielsweise können sich die Oberflächen der mehreren Teile jeweils um die Längsachse in einem Winkel in einem Bereich von 15 Grad bis 175 Grad, in einem Bereich von 30 Grad bis 115 Grad und/oder in einem Bereich von 45 Grad bis 85 Grad erstrecken. In bestimmten anderen Ausführungsformen umfasst das mindestens eine erste optische Röntgenelement 22 eine Vielzahl von Teilen (z. B. eine Polykapillarlinse, die eine Vielzahl von Kapillarröhren umfasst), die um eine Längsachse positioniert sind.
9A veranschaulicht schematisch eine Querschnittsansicht eines beispielhaften ersten optischen Röntgenelements 22, umfassend mindestens eine Kapillarröhre 120, gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Die Kapillarröhre 120 (z. B. Glas; Quarz; Silizium) aus 9A ist einheitlich und weist eine Innenfläche 122 auf, die um eine Längsachse 124 der Kapillarröhre 120 axialsymmetrisch ist. In bestimmten Ausführungsformen umfasst die innere Oberfläche 122 mindestens eine Metallschicht (z. B. Au; Pt; Ir), die dazu konfiguriert ist, die Reflexion von Röntgenstrahlen durch die innere Oberfläche 122 zu ermöglichen (z. B. durch Erhöhen des kritischen Winkels der totalen externen Reflexion). Wie schematisch durch 9A veranschaulicht, umfasst die Kapillarröhre 120 bestimmter Ausführungsformen einen paraboloidförmigen reflektierenden Grenzflächenbereich (z. B. die Innenfläche 122). In bestimmten anderen Ausführungsformen umfasst die Kapillarröhre 120 einen reflektierenden Grenzflächenbereich mit einem Teil, der quadratförmig (z. B. paraboloidförmig; ellipsenförmig; hyperboloidförmig) ist oder sich einer quadratischen Form annähert. Für Formen des reflektierenden Grenzflächenbereichs, die einen Brennpunkt umfassen (z. B. paraboloidförmig; ellipsenförmig; hyperboloidförmig), ist in bestimmten Ausführungsformen mindestens ein Teil der Röntgenquelle 40 an dem Brennpunkt positioniert, während in bestimmten anderen Ausführungsformen die Röntgenquelle 40 von dem Brennpunkt versetzt ist. Die Röntgenquelle 40 kann von einem stromaufwärtigen Ende 125 der mindestens einen Kapillarröhre 120 entfernt positioniert sein (z. B. um einen Abstand in einem Bereich von weniger als 10 cm). Beispiele für reflektierende Kapillarröhrenoptiken 120, die mit bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen kompatibel sind, sind in US-Pat. Nr. 9,874,531, 9,823,203, 9,594,036, 9,570,265, 9,543,109, 9,449,781, 9,448,190 und 9,390,881 , von denen jedes in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist, offenbart.
Wie schematisch durch 9A veranschaulicht, kann das mindestens eine erste optische Röntgenelement 22 ferner mindestens einen Strahlstopp 80 umfassen, der entlang einer Linie positioniert ist, die mit der Längsachse 124 der mindestens einen Kapillarröhre 120 zusammenfällt (z. B. am oder nahe dem stromaufwärtigen Ende 125 der mindestens einen Kapillarröhre 120; am oder nahe dem stromabwärtigen Ende 127 der mindestens einen Kapillarröhre 120; stromaufwärts der mindestens einen Kapillarröhre 120; stromabwärts der mindestens einen Kapillarröhre 120). Zum Beispiel, wie schematisch durch 9A veranschaulicht, trifft ein erster Teil des ersten Röntgenstrahls 12 auf die Innenfläche 122 der Kapillarröhre 120 und die Röntgenstrahlen 26 werden von der Innenfläche 122 reflektiert (z. B. Bildung eines kollimierten Röntgenstrahls), während sich ein zweiter Teil des ersten Röntgenstrahls 12 durch einen Mittelbereich der Kapillarröhre 120 ausbreitet und nicht auf die Innenfläche 122 der Kapillarröhre 120 auftrifft. Der mindestens eine Strahlstopp 80 bestimmter Ausführungsformen umfasst mindestens ein Material, das für die Röntgenstrahlen undurchlässig ist (z. B. Blei), und der mindestens eine Strahlstopp 80 ist dazu konfiguriert, den zweiten Teil des ersten Röntgenstrahls 12 daran zu hindern (z. B. blockieren), zu den Röntgenstrahlen 26 beizutragen. In bestimmten Ausführungsformen bilden die Röntgenstrahlen 26 einen Röntgenstrahl mit einer ringförmigen Querschnittsform in einer Ebene senkrecht zu der Längsachse 124.
In bestimmten Ausführungsformen bilden die Röntgenstrahlen 26 einen Röntgenstrahl mit einer Strahlgröße (z. B. Außendurchmesser), die in einem Bereich von weniger als 3 mm (z. B. in einem Bereich zwischen 1 mm und 3 mm) an einem stromabwärtigen Ende 127 des mindestens einen ersten optischen Röntgenelements 22 liegt. In bestimmten Ausführungsformen ist der durch das mindestens eine erste optische Röntgenelement 22 Teil des ersten Röntgenstrahls 22 divergent (z. B. weist einen ersten Divergenzwinkel in einem Bereich von 5 mrad bis 60 mrad auf) und die Röntgenstrahlen 26 bestimmter Ausführungsformen bilden einen kollimierten Röntgenstrahl (z. B. mit einem zweiten Divergenzwinkel in einem Bereich kleiner als 2 mrad, kleiner als 1,5 mrad oder kleiner als 1 mrad). 9B veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes erstes Röntgenenergiespektrum des ersten Röntgenstrahls 12 (z. B. Röntgenstrahlen von der Röntgenquelle 40) gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. In bestimmten Ausführungsformen weisen die Röntgenstrahlen 26 ein Röntgenenergiespektrum auf, das im Wesentlichen das gleiche ist wie das erste Röntgenenergiespektrum des ersten Röntgenstrahls 12, während in bestimmten anderen Ausführungsformen die Röntgenstrahlen 26 ein Röntgenenergiespektrum aufweisen, das sich von dem ersten Röntgenenergiespektrum des ersten Röntgenstrahls 12 unterscheidet (z. B. weist aufgrund des kritischen Winkels für die totale externe Reflexion von dem mindestens einen ersten Röntgenelement 22 einen hohen Energiegrenzwert auf).
10A veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes System 10, bei dem das mindestens eine zweite optische Röntgenelement 24 mindestens einen Röntgenreflektor 130 umfasst (z. B. mindestens eine Mosaikkristallschicht und/oder mindestens eine tiefengradierte Mehrfachschicht), gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. 10B veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes zweites Röntgenenergiespektrum des zweiten Röntgenstrahls 32 (z. B. Röntgenstrahlen, die durch den mindestens einen Röntgenreflektor 130 übertragen werden) aus 10A gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. 11A veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes System 10, bei dem das mindestens eine zweite optische Element 24 eine Vielzahl (z. B. zwei; drei oder mehr) von Röntgenreflektoren 130 umfasst, gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. 11B veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes zweites Röntgenenergiespektrum des zweiten Röntgenstrahls 32 (z. B. Röntgenstrahlen, die durch die mehreren Röntgenreflektoren 130 übertragen werden) aus 11A gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. 12A veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes System 10, bei dem der mindestens eine Röntgenreflektor 130 mindestens einen Streiflichteinfallspiegel umfasst, gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. 12B veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes zweites Röntgenenergiespektrum des zweiten Röntgenstrahls 32 (z. B. Röntgenstrahlen, die durch den mindestens einen Röntgenreflektor 130 übertragen werden) aus 12A gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Der mindestens eine Röntgenreflektor 130 aus 10A-10B und 11A-11B kann mindestens eine Mosaikkristallschicht, mindestens einen tiefenschichtigen Mehrschichtreflektor und/oder mindestens einen Streiflichteinfallspiegel, wie hierin beschrieben, umfassen.
Der mindestens eine Röntgenreflektor 130 ist dazu konfiguriert, einen ersten Teil 132 der Röntgenstrahlen 26 mit Energien in mindestens einem vorbestimmten Energiebereich zu reflektieren und einen zweiten Teil der Röntgenstrahlen 26 mit Energien außerhalb des mindestens einen vorbestimmten Energiebereichs durchzulassen. Wie hierin beschrieben, wird der durchgelassene zweite Teil der Röntgenstrahlen 26 als der zweite Röntgenstrahl 32 verwendet, der die zu analysierende Probe bestrahlt, wobei der zweite Röntgenstrahl 32 im Wesentlichen aus den mindestens einigen der nicht reflektierten besteht Röntgenstrahlen, die durch den mindestens einen Röntgenreflektor 130 durchgelassen werden, besteht.
Zum Beispiel kann der mindestens eine Röntgenreflektor 130 mindesten eine Mosaikkristallschicht auf einem Substrat (z. B. Silizium oder Glas mit einer Dicke in einem Bereich von 0,2 Millimetern bis 1 Millimeter) umfassen. Beispielhafte Materialien der mindestens einen Mosaikkristallschicht, die mit bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen kompatibel sind, beinhalten unter anderem hochorientiertes pyrolytisches Graphit (HOPG) oder hochausgerichtetes pyrolytisches Graphit (HAPG). Die Mosaikkristallschicht umfasst eine Vielzahl von kristallinen Teile (z. B. Domänen; Kristallite), die mit einer Mosaizität (z. B. Bereich der Ausrichtung der Kristallebenen; Bereich der normalen Richtungen der Kristallebenen) relativ zueinander geneigt sind. In bestimmten Ausführungsformen beträgt die Mosaizität weniger als 3 Grad. Der Röntgenreflektor 130 bestimmter Ausführungsformen, umfassend mindestens eine Mosaikkristallschicht und ein Substrat, weist eine Dicke in einem Bereich von 0,5 mm bis 3 mm auf und die Mosaikkristallschicht umfasst eine Material mit einer niedrigen Ordnungszahl (z. B. Kohlenstoff; Silizium; Quarz), sodass die Absorption der Röntgenstrahlen 26 durch die Mosaikkristallschicht geringer als eine vorbestimmte Obergrenze ist (z. B. kleiner als 20 %; kleiner als 10 %; kleiner als 5 %; kleiner als 3 %). In bestimmten Ausführungsformen ist die mindestens eine Mosaikkristallschicht planar, während in bestimmten anderen Ausführungsformen die mindestens eine Mosaikkristallschicht gekrümmt oder gebogen ist (z. B. steuerbar gebogen, um den Einfallswinkel einzustellen, unter dem die Röntgenstrahlen 26 auf die kristalline Teile einfallen). In bestimmten Ausführungsformen ist die mindestens eine Mosaikkristallschicht so ausgerichtet, dass eine Oberfläche der mindestens einen Mosaikkristallschicht in einem Bereich von 6 Grad bis 20 Grad, in einem Bereich von 15 Grad bis 40 Grad, in einem Bereich von 40 Grad bis 50 Grad oder in einem Bereich von 40 Grad bis 65 Grad relativ zu den Röntgenstrahlen 26 (z. B. relativ zu einem kollimierten Röntgenstrahl, der die Röntgenstrahlen 26 umfasst) liegt.
Mindestens ein erster Teil 132 der Röntgenstrahlen 26, der auf die Mosaikkristallschicht auftrifft, erfüllt die Bragg-Reflexionsbedingung für mindestens einige der kristallinen Teile der Mosaikkristallschicht. Die Bragg-Reflexionsbedingung kann wie folgt ausgedrückt werden: 2d · sinθ = n · λ, wobei d der interplanare Abstand zwischen den Kristallebenen (z. B. Kohlenstoffschichten) eines kristallinen Teils ist, θ der Einfallswinkel des Röntgenstrahls relativ zu den Kristallebenen des kristallinen Teils ist, n die ganzzahlige Ordnung der Reflexion ist und λ die Wellenlänge der einfallenden Röntgenstrahlen ist (wobei die Röntgenwellenlänge durch die folgende Beziehung mit der Röntgenenergie in Beziehung steht: E = h · c/λ, wobei E die Energie ist, h die Planck-Konstante ist und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Der erste Teil 132 der Röntgenstrahlen 26, der die Bragg-Reflexionsbedingung für mindestens einige der kristallinen Teile der Mosaikkristallschicht erfüllt, wird von der Mosaikkristallschicht reflektiert. Der verbleibende Teil der Röntgenstrahlen 26, der die Bragg-Reflexionsbedingung für keinen der kristallinen Teile der Mosaikkristallschicht erfüllt, wird von der Mosaikkristallschicht nicht reflektiert und durch die Mosaikkristallschicht durchgelassen (z. B. im Wesentlichen ohne Dämpfung), wodurch der zweite Röntgenstrahl 32 gebildet wird.
In bestimmten Ausführungsformen finden einige der Röntgenstrahlen 26 in einem engen Bereich von Wellenlängen aufgrund der leichten Fehlausrichtung zwischen den kristallinen Teilen der Mosaikkristallschicht und des kleinen Divergenzwinkels der einfallenden Röntgenstrahlen 26 einen kristallinen Teil, für den die Bragg-Reflexionsbedingung erfüllt ist, und werden von der Mosaikkristallschicht reflektiert, um so nicht zu dem zweiten Röntgenstrahl 32 beizutragen. Die Mosaikkristallschicht kann dazu konfiguriert sein, eine Mosaizität aufzuweisen und relativ zu den Röntgenstrahlen 26 (z. B. relativ zu einem kollimierten Röntgenstrahl, der die Röntgenstrahlen 26 umfasst) ausgerichtet zu sein, um Röntgenstrahlen, die einen Energiebereich mit einem vorbestimmten zentralen Wert und einer vorbestimmten Bandbreite aufweisen (z. B. einen Bereich mit einer Untergrenze und einer Obergrenze) zu reflektieren, wodurch verhindert wird, dass Röntgenstrahlen innerhalb des Bereichs (z. B. zwischen der Untergrenze und der Obergrenze) zu dem zweiten Röntgenstrahl 32 beitragen.
Für ein anderes Beispiel kann der mindestens eine Röntgenreflektor 130 mindestens einen tiefengradierten Mehrschichtreflektor umfassen, von dem ein Beispiel schematisch durch 3C veranschaulicht ist. Der tiefengradierte Mehrschichtreflektor umfasst ein Substrat (z. B. umfassend ein Material mit einer niedrigen Ordnungszahl, wie etwa Silizium, Quarz, Glas oder Aluminium) mit einer Dicke in einem Bereich von 0,5 mm bis 3 mm oder in einem Bereich von 0,2 mm bis 1 mm und einer tiefengradierten Mehrfachschichtbeschichtung auf einer Oberfläche des Substrats. Die Absorption der Röntgenstrahlen 26 durch den tiefengradierten Mehrschichtreflektor ist niedriger als ein vorbestimmter Wert (z. B. kleiner als 20 %; kleiner als 10 %; kleiner als 5 %; kleiner als 3 %). In bestimmten Ausführungsformen ist der mindestens eine tiefengradierte Mehrschichtenreflektor so ausgerichtet, dass eine Oberfläche des mindestens einen tiefengradierten Mehrschichtenreflektors in einem Bereich von 3 Grad bis 15 Grad, in einem Bereich von 10 Grad bis 40 Grad oder in einem Bereich von 40 Grad bis 50 Grad relativ zu den Röntgenstrahlen 26 (z. B. relativ zu einem kollimierten Röntgenstrahl, der die Röntgenstrahlen 26 umfasst) liegt.
Die mindestens eine tiefengradierte Mehrfachschicht bestimmter Ausführungsformen umfasst eine Vielzahl von Schichtpaaren (z. B. Paare von Schichten oder Doppelschichten mit einem Material mit hoher Ordnungszahl und einem Material mit niedriger Ordnungszahl, die sich in einer Richtung senkrecht zu den Schichten abwechseln). Die Dicken der Schichtpaare unterscheiden sich voneinander (z. B. unterscheiden sich die Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Materialschichten mit hoher Ordnungszahl voneinander). Zum Beispiel kann jedes Schichtpaar eine erste Schicht, die ein erstes Material umfasst, und eine zweite Schicht, die ein zweites Material umfasst, umfassen (z. B. Pt/Si-Schichtpaare; Pt/B₄C-Schichtpaare; Pt/Al₂O₃-Schichtpaare; W/Si-Schichtpaare; W/B₄C-Schichtpaare; W/Al₂O₃-Schichtpaare; Mo/Si-Schichtpaare; Mo/B₄C-Schichtpaare; Mo/Al₂O₃-Schichtpaare; Ni/Si-Schichtpaare; Ni/B₄C-Schichtpaare; Ni/Al₂O₃-Schichtpaare; Cu/Si-Schichtpaare; Cu/B₄C-Schichtpaare; Cu/Al₂O₃-Schichtpaare). Die Dicke (z. B. in einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu der Substratoberfläche) jedes Schichtpaars ist entlang einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zur Oberfläche ist, im Wesentlichen konstant. Entlang der Normalen der Substratoberfläche sind Schichtpaare jedoch in Sätzen oder Gruppen konfiguriert, in denen sich die Dicken der Schichtpaare in jeder Gruppe voneinander unterscheiden. Zum Beispiel können die Dicken der Schichtpaare der verschiedenen Gruppen von einer ersten Dicke zu einer zweiten Dicke zunehmen, wobei die Schichtgruppen näher an der Substratoberfläche kleinere Schichtdicken aufweisen als die Schichtgruppen, die von der Substratoberfläche weiter entfernt sind.
Mindestens ein erster Teil 132 der Röntgenstrahlen 26, der auf den tiefengradierten Mehrfachschichtreflektor auftrifft, erfüllt die Bragg-Reflexionsbedingung (2d · sinθ = n · λ) für mindestens einige der Schichten der tiefengradierten Mehrfachschichtbeschichtung, wobei d der Abstand zwischen den Materialschichten mit hoher Ordnungszahl ist (z. B. der Abstand zwischen Pt-, W-, Mo-, Ni- oder Cu-Schichten). Der erste Teil 132 der Röntgenstrahlen 26, der die Bragg-Reflexionsbedingung für mindestens einige der Schichten erfüllt, wird von der tiefengradierten Mehrfachschichtbeschichtung reflektiert. Der verbleibende Teil der Röntgenstrahlen 26, der die Bragg-Reflexionsbedingung für keine der Schichten der tiefengradierten Mehrfachschichtbeschichtung erfüllt, wird von der tiefengradierten Mehrfachschichtbeschichtung nicht reflektiert und durch die tiefengradierte Mehrfachschichtbeschichtung und das Substrat durchgelassen (z. B. im Wesentlichen ohne Dämpfung), wodurch der zweite Röntgenstrahl 32 gebildet wird.
In bestimmten Ausführungsformen finden die einfallenden Röntgenstrahlen 26 in einem engen Wellenlängenbereichs aufgrund der unterschiedlichen Dicken der Schichten der tiefengradierten Mehrfachschichtbeschichtung einen Schichtabstand, für den die Bragg-Reflexionsbedingung ist, und werden von der tiefengradierten Mehrfachschichtbeschichtung reflektiert, um nicht zu dem zweiten Röntgenstrahl 32 beizutragen. Der tiefengradierten Mehrfachschichtreflektor kann relativ zu den Röntgenstrahlen 26 (z. B. relativ zu einem kollimierten Röntgenstrahl, der die Röntgenstrahlen 26 umfasst) ausgerichtet zu sein, um Röntgenstrahlen 26, die einen Energiebereich mit einem vorbestimmten zentralen Wert und einer vorbestimmten Bandbreite aufweisen (z. B. einen Bereich mit einer Untergrenze und einer Obergrenze) zu reflektieren, wodurch verhindert wird, dass Röntgenstrahlen 26 innerhalb des Bereichs (z. B. zwischen der Untergrenze und der Obergrenze) zu dem zweiten Röntgenstrahl 32 beitragen.
Wie schematisch durch 10B veranschaulicht, weist das zweite Röntgenenergiespektrum des zweiten Röntgenstrahls 32 einen vorbestimmten Energiebereich (z. B. eine „Sperre“) auf, in dem die Röntgenintensität (z. B. Fluss) durch den mindestens einen Röntgenreflektor 130 im Vergleich zu dem Röntgenenergiespektrum des ersten Röntgenstrahls 12 verringert ist (z. B. um mindestens 80%; um mindestens 90 %; um mindestens 95%) (z. B. schematisch dargestellt durch 9B). Zusätzlich weist das zweite Röntgenenergiespektrum des zweiten Röntgenstrahls 32 bei Energien unter einem vorbestimmten Wert (z. B. 4 keV) eine verringerte Röntgenintensität (z. B. Fluss) im Vergleich zu dem ersten Röntgenenergiespektrum des ersten Röntgenstrahls 12 auf (z. B. um mindestens 80%; um mindestens 90 %; um mindestens 95%) (z. B. schematisch dargestellt durch 9B).
Wie schematisch durch 10B veranschaulicht, weisen das zweite Röntgenenergiespektrum an der Obergrenze und der Untergrenze des vorbestimmten Energiebereichs scharfe Kanten auf. Im Gegensatz zu herkömmlichen Durchlassfiltern, die dazu verwendet werden, den Röntgenflusses zu verringern, stellen bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen eine ausreichend scharfe Obergrenze bereit, sodass die Obergrenze so ausgewählt werden kann, dass sie zwischen der Röntgenabsorptionskante und der Röntgenfluoreszenzlinie des Elements (z. B. Cu) liegt, das unter Verwendung des Röntgenfluoreszenzsystems analysiert werden soll (z. B. die halbe Halbwertsbreite der oberen Begrenzungskante ist kleiner als die Energiedifferenz zwischen der Röntgenabsorptionskante und der zu analysierenden Röntgenfluoreszenzlinie).
11A veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes System 10, bei dem das mindestens eine zweite optische Röntgenelement 24 eine Vielzahl (z. B. zwei; drei oder mehr) von Röntgenreflektoren 130 umfasst, gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Zum Beispiel ist ein erster Röntgenreflektor 130a, der ein erstes Substrat und mindestens eine erste Schicht auf dem ersten Substrat (z. B. mindestens eine Mosaikkristallschicht und/oder mindestens eine tiefengradierte Mehrfachschicht) umfasst, in einem ersten Winkel relativ zu den Röntgenstrahlen 26 ausgerichtet (z. B. relativ zu einem kollimierten Röntgenstrahl, der die Röntgenstrahlen 26 umfasst), und ein zweiter Röntgenreflektor 130b, der ein zweites Substrat und mindestens eine zweite Schicht auf dem zweiten Substrat (z. B. mindestens eine Mosaikkristallschicht und/oder mindestens eine tiefengradierte Mehrfachschicht) umfasst, ist in einem zweiten Winkel, der sich vom ersten Winkel unterscheidet, relativ zu den Röntgenstrahlen 26 ausgerichtet (z. B. relativ zu einem kollimierten Röntgenstrahl, der die Röntgenstrahlen 26 umfasst). Der erste Röntgenreflektor 130a ist dazu konfiguriert, einen ersten Teil 132a der Röntgenstrahlen 26 zu reflektieren, und der zweite Röntgenreflektor 130b ist dazu konfiguriert, die mindestens einigen der nicht reflektierten Röntgenstrahlen von dem ersten Röntgenreflektor 130a (z. B. die Röntgenstrahlen, die durch den ersten Röntgenreflektor 130a durchgelassen werden) zu empfangen, und ist dazu konfiguriert, einen zweiten Teil 132b der Röntgenstrahlen 26 zu reflektieren, sodass der erste Teil 132a und der zweite Teil 132b nicht zu dem zweiten Röntgenstrahl 32 beitragen, sodass der zweite Röntgenstrahl 32 im Wesentlichen aus den mindestens einigen der nicht reflektierten Röntgenstrahlen von dem zweiten Röntgenreflektor 130b (z. B. den Röntgenstrahlen, die durch den zweiten Röntgenreflektor 130b durchgelassen werden) besteht.
11B veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes zweites Röntgenenergiespektrum des zweiten Röntgenstrahls 32 (z. B. Röntgenstrahlen, die durch die zwei Röntgenreflektoren 130a, 130b übertragen werden) aus 11A gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Zum Beispiel kann der erste Röntgenreflektor 130a dazu konfiguriert sein, einen ersten „Sperr“-Energiebereich bereitzustellen, der eine erste interessierende Röntgenfluoreszenzlinie beinhaltet, und der zweite Röntgenreflektor 130b kann dazu konfiguriert sein, einen zweiten „Sperr“-Energiebereich bereitzustellen, der eine zweite interessierende Röntgenfluoreszenzlinie beinhaltet (z. B. L_α1-Linie von Hf bei 7,9 keV und L_β1-Linie von La bei 5 keV; K_β1-Linie von Si bei 1,8 keV und K_β1-Linie von Mg bei 1,3 keV)). Wie in 11B gezeigt, können in bestimmten Ausführungsformen die zwei Energiebereiche von zwei „Sperren“ voneinander getrennt sein (z. B. ist eine Obergrenze eines ersten Energiebereichs von einem der Röntgenreflektoren 130 niedriger als eine Untergrenze des zweiten Energiebereich von einem anderen der Röntgenreflektoren 130). In bestimmten anderen Ausführungsformen können sich die beiden Energiebereiche von zwei „Sperren“ gegenseitig überlappen (z. B. die Obergrenzen beider Energiebereiche sind höher als die Untergrenzen beider Energiebereiche), wodurch effektiv ein größerer Energiebereich gebildet wird, über den der Hintergrundbeitrag effektiv verringert wird (z. B. von der Untergrenze des ersten Energiebereichs bis zur Obergrenze des zweiten Energiebereichs).
In dem beispielhaften System aus 12A-12B umfasst der mindestens eine Röntgenreflektor 130 mindestens einen Streiflichteinfallspiegel gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Zum Beispiel kann der Streiflichteinfallspiegel ein Substrat (z. B. umfassend ein Material mit einer niedrigen Ordnungszahl, wie etwa Silizium, Quarz, Glas oder Aluminium) mit einer Dicke in einem Bereich von 0,001 mm bis 0,05 mm oder in einem Bereich von 0,05 mm bis 0,2 mm und eine Beschichtung umfassend eine oder mehrere Schichten (z. B. umfassend ein Material mit einer hohen Ordnungszahl, wie etwa Au, Ir, Pt, W, Cu oder Mo) auf einer Oberfläche des Substrats umfassen. Die Absorption der Röntgenstrahlen 26 durch den Streiflichteinfallspiegel ist niedriger als ein vorbestimmter Wert (z. B. kleiner als 20 %; kleiner als 10 %; kleiner als 5 %; kleiner als 3 %). In bestimmten Ausführungsformen ist der Streiflichteinfallspiegel planar, während in bestimmten anderen Ausführungsformen der Streiflichteinfallspiegel gekrümmt oder gebogen ist. In bestimmten Ausführungsformen ist der mindestens eine Streiflichteinfallspiegel so ausgerichtet, dass eine Oberfläche des Streiflichteinfallspiegel in einem Bereich von 1 Grad bis 10 Grad oder in einem Bereich von 0,5 Grad bis 5 Grad relativ zu den Röntgenstrahlen 26 (z. B. relativ zu einem kollimierten Röntgenstrahl, der die Röntgenstrahlen 26 umfasst) liegt.
Mindestens ein erster Teil 132 der Röntgenstrahlen 26, die auf den Streiflichteinfallspiegel treffen, umfasst Röntgenstrahlen, bei denen der Streiflichteinfallswinkel unter dem kritischen Winkel für die totale externe Reflexion durch den Streiflichteinfallspiegel liegt (z. B. Röntgenstrahlen mit niedriger Energie; Röntgenstrahlen mit Energien unter 1 keV, 3 keV oder 5 keV) und wird von dem Streiflichteinfallspiegel reflektiert. Der verbleibende Teil der Röntgenstrahlen 26, für den der Streiflichteinfallswinkel über dem kritischen Winkel für die totale externe Reflexion liegt
(z. B. Röntgenstrahlen mit höherer Energie; Röntgenstrahlen mit Energien über 1 keV, 3 keV oder 5 keV), wird von dem Streiflichteinfallspiegel nicht reflektiert und durch den Streiflichteinfallspiegel durchgelassen (z. B. im Wesentlichen ohne Dämpfung), wodurch der zweite Röntgenstrahl 32 gebildet wird (z. B. besteht der zweite Röntgenstrahl 32 im Wesentlichen aus den mindestens einigen der nicht reflektierten Röntgenstrahlen von dem mindestens einen Röntgenreflektor 130).
Wie schematisch durch 12B veranschaulicht, weist das zweite Röntgenenergiespektrum des zweiten Röntgenstrahls 32, das durch den Streiflichteinfallspiegel durchgelassen wird, bei Energien unter einem vorbestimmten „Grenzwert“ (z. B. 4 keV) eine verringerte Röntgenintensität (z. B. Fluss) im Vergleich zu dem ersten Röntgenenergiespektrum des ersten Röntgenstrahls 12 auf (z. B. um mindestens 80%; um mindestens 90 %; um mindestens 95%) (z. B. schematisch dargestellt durch 9B). In bestimmten Ausführungsformen ist der Einfallswinkel der Röntgenstrahlen 26 auf den Streiflichteinfallspiegel einstellbar (z. B. relativ zu dem kritischen Winkel), um so den vorbestimmten „Grenzwert“ des Teils der Röntgenstrahlen 26 einzustellen.
13A veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes System 10, umfassend einen ersten Röntgenreflektor 130 (z. B. einen ersten Streiflichteinfallspiegel) und einen zweiten Röntgenreflektor 134 (z. B. einen zweiten Streiflichteinfallspiegel) gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Der zweite Röntgenreflektor 134 ist dazu konfiguriert, Röntgenstrahlen 136 des ersten Teils 132 der Röntgenstrahlen 26 wesentlich zu reflektieren und einen verbleibenden Teil des ersten Teils 132 der Röntgenstrahlen 26 nicht wesentlich zu reflektieren. 13B veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes zweites Röntgenenergiespektrum des zweiten Röntgenstrahls 32 und die von dem zweiten Röntgenreflektor 134 aus 13A reflektierten Röntgenstrahlen 136 gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
Zum Beispiel weisen mindestens einige Röntgenstrahlen 136 des ersten Teils 132 der Röntgenstrahlen 26, die auf den zweiten Röntgenreflektor 134 auftreffen (z. B. der zweite Streiflichteinfallspiegel), einen Streiflichteinfallswinkel auf, der unter dem kritischen Winkel für die totale externe Reflexion durch den zweiten Röntgenreflektor 134 liegt (z. B. Röntgenstrahlen mit niedriger Energie; Röntgenstrahlen mit Energien unter 1 keV, 3 keV oder 5 keV), und werden durch dem zweiten Röntgenreflektor 134 reflektiert (z. B. werden die Röntgenstrahlen 136 zweimal reflektiert, einmal von dem ersten Röntgenreflektor 130 und einmal von dem zweiten Röntgenreflektor 134). Die verbleibenden Röntgenstrahlen des ersten Teils 132 der Röntgenstrahlen 26, für die der Streiflichteinfallswinkel über dem kritischen Winkel für die totale externe Reflexion durch den zweiten Röntgenreflektor 134 liegt (z. B. Röntgenstrahlen höherer Energie; Röntgenstrahlen mit Energien über 1 keV, 3 keV oder 5 keV) werden von dem zweiten Röntgenreflektor 134 nicht reflektiert und durch den zweiten Röntgenreflektor 134 durchgelassen.
In bestimmten Ausführungsformen, wie sie schematisch durch 13A veranschaulicht, können der erste Röntgenreflektor 130 und der zweite Röntgenreflektor 134 so konfiguriert sein, dass der zweite Röntgenstrahl 32 und die mindestens einigen „doppelt reflektierten“ Röntgenstrahlen 136 (z. B. der erste Teil 132 der auf den zweiten Röntgenreflektor 134 auftreffenden Röntgenstrahlen 26) die Probe 50 bestrahlen. In bestimmten Ausführungsformen treffen die Röntgenstrahlen 136 auf einen ersten Bereich der Probe 50, der der gleiche ist wie ein zweiter Bereich der Probe 50, auf den der zweite Röntgenstrahl 32 auftrifft, während in bestimmten anderen Ausführungsformen der erste Bereich der Probe 50, auf den die Röntgenstrahlen 136 auftreffen, sich von dem zweiten Bereich der Probe 50, auf den der zweite Röntgenstrahl 32 auftrifft, unterscheidet (z. B. überlappt der erste Bereich den zweiten Bereich teilweise).
In bestimmten Ausführungsformen ist der erste Röntgenreflektor 130 dazu konfiguriert, Röntgenstrahlen 132 in einem ersten Energiebereich mit einer ersten Obergrenze (z. B. 4 keV, 5 keV, 6 keV) zu reflektieren, und der zweite Röntgenreflektor 134 ist dazu konfiguriert, Röntgenstrahlen 136 in einem zweiten Energiebereich mit einer zweiten Obergrenze (z. B. 2 keV, 3 keV, 4 keV), die niedriger als die erste Obergrenze ist, zu reflektieren. Der Energiebereich zwischen der ersten Obergrenze und der zweiten Obergrenze kann eine verringerte Röntgenintensität (z. B. Fluss) (z. B. um mindestens 80 %; um mindestens 90 %; um mindestens 95 %) im Vergleich zu dem Röntgenenergiespektrum des ersten Röntgenstrahls 12 aufweisen (z. B. schematisch dargestellt durch 9B). Auf diese Weise sind bestimmte Ausführungsformen dazu konfiguriert, eine Röntgenfluoreszenzanalyse von Elementen mit hoher Ordnungszahl (z. B. unter Verwendung des hochenergetischen Teils des Röntgenenergiespektrums des zweiten Röntgenstrahls 32, der auf die Probe 50 auftrifft) und Elementen mit niedriger Ordnungszahl (z. B. unter Verwendung des energiearmen Teils des Röntgenenergiespektrums der „doppelt reflektierten“ Röntgenstrahlen 136, die auf die Probe 50 auftreffen) durchzuführen. In bestimmten Ausführungsformen ist der Einfallswinkel der Röntgenstrahlen 26 auf den ersten Röntgenreflektor 130 einstellbar und der Einfallswinkel der Röntgenstrahlen 132 auf den zweiten Röntgenreflektor 134 ist einstellbar (z. B. mit geringfügig unterschiedlichen Streifwinkeln relativ zu den jeweiligen kritischen Winkeln), um den Teil der Röntgenstrahlen 26 einzustellen, der nicht auf die Probe 50 auftrifft (z. B. den Teil der Röntgenstrahlen 26, der in keinem von dem zweiten Röntgenstrahl 32 oder den Röntgenstrahlen 136 enthalten ist; um einen unerwünschten Teil des Niedrigenergiespektrums auszuschneiden).
14 ist ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 200 zum Durchführen einer Röntgenfluoreszenzanalyse gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. In einem operativen Block 210 umfasst das Verfahren 200 Empfangen von Röntgenstrahlen mit einem ersten Energiespektrum und einer ersten räumlichen Verteilung. In einem operativen Block 220 umfasst das Verfahren 200 ferner Reflektieren mindestens einiger der empfangenen Röntgenstrahlen, wobei die reflektierten Röntgenstrahlen ein zweites Energiespektrum und eine zweite räumliche Verteilung aufweisen. In einem operativen Block 230 umfasst das Verfahren 200 ferner Trennen der reflektierten Röntgenstrahlen durch Mehrschichtreflexion (z. B. Reflexion, die die Bragg-Reflexionsbedingung von Mehrfachschichten und/oder Mosaikkristallschichten erfüllt) und/oder totale externe Reflexion in einen ersten Teil, der auf eine Probe auftrifft, und einen zweiten Teil mit einem vorbestimmten Bereich von Röntgenenergien. Der erste Teil weist ein drittes Energiespektrum auf, das im Vergleich zu dem zweiten Energiespektrum eine verringerte Intensität in dem vorbestimmten Bereich von Röntgenenergien aufweist. In bestimmten Ausführungsformen sind mindestens einige der Röntgenstrahlen des ersten Teils dazu konfiguriert, Röntgenfluoreszenz innerhalb der Probe anzuregen, wobei die Röntgenfluoreszenz Röntgenfluoreszenzlinien innerhalb des vorbestimmten Bereichs von Röntgenenergien umfasst. In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Verfahren 200 ferner Reflektieren einiger Röntgenstrahlen des zweiten Teils, um auf die Probe aufzutreffen.
Vorausgesetzt, es ist nicht eindeutig etwas anderes vorgegeben oder der Verwendungszusammenhang lässt nicht auf etwas anderes schließen, sind konditionale Ausdrücke wie unter anderem „kann“ oder „könnte“ im Allgemeinen dazu gedacht, zu vermitteln, dass bestimmte Ausführungsformen bestimmte Merkmale, Elemente und/oder Schritte beinhalten, wohingegen andere Ausführungsformen diese nicht beinhalten. Somit ist mit derartigen konditionalen Ausdrücken im Allgemeinen nicht gemeint, dass sie implizieren, dass Merkmale, Elemente und/oder Schritte in irgendeiner Weise für eine oder mehrere Ausführungsformen erforderlich sind.
Für die konjunktive Sprache, wie etwa der Ausdruck „mindestens eines von X, Y und Z“, versteht es sich, sofern nicht konkret anderweitig ausgedrückt, dass sie in dem Kontext, in dem sie verwendet wird, darstellt, dass ein Objekt, Begriff usw. entweder X, Y oder Z sein kann. Somit ist eine derartige konjunktive Sprache im Allgemeinen nicht dazu gedacht, dass bestimmte Ausführungen das Vorhandensein von mindestens einem von X, mindestens einem von Y oder mindestens einem von Z erfordern.
Sprache in Bezug auf ein Ausmaß, wie sie hierin verwendet wird, wie etwa die Begriffe „ungefähr“, „etwa“, „allgemein/im Allgemeinen“ und „wesentlich/im Wesentlichen“ stellen einen Wert, eine Menge oder ein Merkmal nahe dem angegebenen Wert, der angegebenen Menge oder dem angegebenen Merkmal dar, der/die immer noch eine gewünschte Funktion erfüllt oder ein gewünschtes Ergebnis erzielt. Beispielsweise können sich die Begriffe „ungefähr“, „etwa“, „allgemein/im Allgemeinen“ und „wesentlich/im Wesentlichen“ auf eine Menge beziehen, die innerhalb von ± 10 %, innerhalb von ± 5 %, innerhalb von ± 2 %, innerhalb von ± 1 % oder innerhalb von ± 0,1 % der angegebenen Menge liegt. Als ein weiteres Beispiel beziehen sich die Begriffe „im Allgemeinen parallel“ und „im Wesentlichen parallel“ auf einen Wert, eine Menge oder ein Merkmal, der/die/das von genau parallel um ± 10 Grad, um ± 5 Grad, um ± 2 Grad, um ± 1 Grad oder um ± 0,1 Grad abweicht, und die Begriffe „im Allgemeinen senkrecht“ und „im Wesentlichen senkrecht“ beziehen sich auf einen Wert, eine Menge oder ein Merkmal/der/die/das von genau senkrecht um ± 10 Grad, um ± 5 Grad, um ± 2 Grad, um ± 1 Grad oder um ± 0,1 Grad abweicht.
Verschiedene Konfigurationen werden vorstehend beschrieben. Obwohl diese Erfindung unter Bezugnahme auf diese spezifischen Konfigurationen beschrieben wurde, sollen die Beschreibungen die Erfindung veranschaulichen und nicht einschränkend sein. Für einen Fachmann sind verschiedene Modifikationen und Abwandlungen offensichtlich, ohne von dem wahren Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. So können beispielsweise in jedem hierin offenbarten Verfahren oder Prozess die Handlungen oder Operationen, die das Verfahren/den Prozess bilden, in jeder geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden und sind nicht notwendigerweise auf eine beliebige bestimmte offenbarte Reihenfolge beschränkt. Merkmale oder Elemente aus verschiedenen Ausführungsformen und Beispielen, die vorstehend erörtert sind, können miteinander kombiniert werden, um alternative Konfigurationen zu erzeugen, die mit den hierin offenbarten Ausführungsformen kompatibel sind. Gegebenenfalls werden verschiedene Aspekte und Vorteile der Ausführungsformen beschrieben. Es versteht sich, dass nicht notwendigerweise alle derartigen Aspekte oder Vorteile gemäß einer bestimmten Ausführungsform erreicht werden können. So sollte zum Beispiel erkannt werden, dass die verschiedenen Ausführungsformen auf eine Weise ausgeführt werden können, die einen Vorteil oder eine Gruppe von Vorteilen, wie hierin gelehrt, erzielt oder optimiert, ohne notwendigerweise andere Aspekte oder Vorteile, die hierin gelehrt oder vorgeschlagen werden können, zu erreichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62/726776 [0001]
US 62/794281 [0001]
US 9874531 [0030, 0032, 0033, 0053, 0063]
US 9823203 [0030, 0032, 0033, 0053, 0063]
US 9719947 [0030, 0032, 0033, 0053]
US 9594036 [0030, 0032, 0033, 0053, 0063]
US 9570265 [0030, 0032, 0033, 0053, 0063]
US 9543109 [0030, 0032, 0033, 0053, 0063]
US 9449781 [0030, 0032, 0033, 0053, 0063]
US 9448190 [0030, 0032, 0033, 0053, 0063]
US 9390881 [0030, 0032, 0033, 0053, 0063]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

M.J. Pushie et al., „Elemental and chemically specific x-ray fluorescence imaging of biological systems“, Chemical Reviews 114:17 (2014) [0008]
M.J. Pushie et al., „Elemental and chemically specific x-ray fluorescence imaging of biological systems“, Chemical Reviews 114:17 (2014): 8499-8541 [0027]

Claims

Optischer Röntgenfilter, umfassend mindestens einen optischen Röntgenspiegel, wobei der mindestens eine optische Röntgenspiegel dazu konfiguriert ist, mehrere Röntgenstrahlen mit einem ersten Röntgenspektrum mit einer ersten Intensität als Funktion der Energie in einem vorbestimmten Raumwinkelbereich zu empfangen und mindestens einen Teil der empfangenen Röntgenstrahlen durch Mehrschichtreflexion oder totale externe Reflexion in reflektierte Röntgenstrahlen und nicht reflektierte Röntgenstrahlen zu trennen und einen Röntgenstrahl zu bilden, der mindestens einen Teil der reflektierten Röntgenstrahlen und/oder mindestens einige der nicht reflektierten Röntgenstrahlen umfasst, wobei der Röntgenstrahl ein zweites Röntgenspektrum mit einer zweiten Intensität als Funktion der Energie im Raumwinkelbereich aufweist, wobei die zweite Intensität größer oder gleich 50 % der ersten Intensität über einen ersten kontinuierlichen Energiebereich mit einer Breite von mindestens 3 keV ist und die zweite Intensität kleiner oder gleich 10 % der ersten Intensität über einen zweiten kontinuierlichen Energiebereich mit einer Breite von mindestens 100 eV ist.
Filter nach Anspruch 1, wobei die zweite Intensität größer oder gleich 50 % der ersten Intensität über einen dritten kontinuierlichen Energiebereich mit einer Breite von mindestens 2 keV ist, wobei der zweite kontinuierliche Energiebereich zwischen dem ersten kontinuierlichen Energiebereich und dem dritten kontinuierlichen Energiebereich liegt.
Filter nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine optische Röntgenspiegel einen axialsymmetrischen optischen Röntgenfokussierungsspiegel umfasst, der ein Substrat und mindestens eine Schicht auf dem Substrat umfasst, wobei die mindestens eine Schicht eine tiefengradierte Mehrschichtbeschichtung umfasst, wobei der zweite Röntgenstrahl im Wesentlichen aus den mindestens einigen der reflektierten Röntgenstrahlen besteht.
Filter nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine optische Röntgenspiegel ein Substrat und mindestens eine Schicht auf dem Substrat umfasst, wobei die mindestens eine Schicht mindestens eine Mosaikkristallschicht und/oder mindestens eine tiefengradierte Mehrfachschicht umfasst, wobei der zweite Röntgenstrahl im Wesentlichen aus den mindestens einigen der nicht reflektierten Röntgenstrahlen besteht.
Filter nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine optische Röntgenspiegel einen ersten optischen Röntgenspiegel, umfassend ein erstes Substrat und mindestens eine erste Schicht auf dem ersten Substrat, und einen zweiten optischen Röntgenspiegel, umfassend ein zweites Substrat und mindestens eine zweite Schicht auf dem zweiten Substrat, umfasst, wobei das zweite optische Röntgenelement dazu konfiguriert ist, die mindestens einigen der nicht reflektierten Röntgenstrahlen von dem ersten optischen Röntgenelement zu empfangen, wobei der zweite Röntgenstrahl im Wesentlichen aus den mindestens einigen der nicht reflektierten Röntgenstrahlen von dem zweiten optischen Röntgenelement besteht.
Filter nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine optische Röntgenspiegel mindestens einen Streiflichteinfallspiegel umfasst, wobei der zweite Röntgenstrahl im Wesentlichen aus den mindestens einigen der nicht reflektierten Röntgenstrahlen besteht.
Filter nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine optische Röntgenspiegel einen ersten Streiflichteinfallspiegel und einen zweiten Streiflichteinfallspiegel umfasst, wobei der zweite Röntgenstrahl im Wesentlichen aus den mindestens einigen der nicht reflektierten Röntgenstrahlen von dem ersten Streiflichteinfallspiegel besteht, wobei der zweite Röntgenstrahl und mindestens ein Teil der mindestens einigen der reflektierten Röntgenstrahlen von dem ersten Streiflichteinfallspiegel, die von dem zweiten streifenden Einfallspiegel reflektiert werden, so gerichtet sind, dass sie eine Probe bestrahlen.
Verfahren zum Durchführen einer Röntgenfluoreszenzanalyse, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Empfangen von Röntgenstrahlen mit einem ersten Energiespektrum und einer ersten räumlichen Verteilung; Reflektieren mindestens einiger der empfangenen Röntgenstrahlen, wobei die reflektierten Röntgenstrahlen ein zweites Energiespektrum und eine zweite räumliche Verteilung aufweisen; und Trennen der reflektierten Röntgenstrahlen durch Mehrschichtreflexion und/oder totale externe Reflexion in einen ersten Teil, der auf eine Probe auftrifft, und einen zweiten Teil mit einem vorbestimmten Bereich von Röntgenenergien, wobei der erste Teil ein drittes Energiespektrum aufweist, das im Vergleich zu dem zweiten Energiespektrum in dem vorbestimmten Bereich von Röntgenenergien eine verringerte Intensität aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei mindestens einige der Röntgenstrahlen des ersten Teils dazu konfiguriert sind, Röntgenfluoreszenz innerhalb der Probe anzuregen, wobei die Röntgenfluoreszenz Röntgenfluoreszenzlinien innerhalb des vorbestimmten Bereichs von Röntgenenergien umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend Reflektieren einiger Röntgenstrahlen des zweiten Teils, um auf die Probe aufzutreffen.
Röntgensystem, umfassend: mindestens einen ersten optischen Röntgenspiegel, der dazu konfiguriert ist, mindestens einen Teil eines ersten Röntgenstrahls mit einem ersten Energiespektrum zu empfangen und mindestens einige der Röntgenstrahlen des Teils des ersten Röntgenstrahls zu reflektieren, um einen zweiten Röntgenstrahl zu bilden; und mindestens einen zweiten optischen Röntgenspiegel, umfassend mindestens eine Mosaikkristallschicht, mindestens einen tiefengradierten Mehrfachschichtreflektor und/oder mindestens einen Streiflichteinfallspiegel, wobei der mindestens eine zweite optische Röntgenspiegel dazu konfiguriert ist, mindestens einige der Röntgenstrahlen von dem mindestens einen ersten optischen Röntgenspiegel zu empfangen, einen zweiten Röntgenstrahl, umfassend einen durchgelassenen Teil der Röntgenstrahlen, die von dem mindestens einen ersten optischen Röntgenspiegel empfangen wurden, durchzulassen und um einen reflektierten Teil der Röntgenstrahlen, die von dem mindestens einen ersten optischen Röntgenspiegel empfangen wurden, zu reflektieren, wobei der zweite Röntgenstrahl ein zweites Energiespektrum mit einer im Vergleich zu dem ersten Energiespektrum verringerten Intensität in einem vorbestimmten Bereich von Röntgenenergien aufweist.
System nach Anspruch 11, wobei mindestens ein Teil des zweiten Röntgenstrahls dazu konfiguriert ist, eine Probe zu bestrahlen und Röntgenfluoreszenz innerhalb der Probe anzuregen, wobei die Röntgenfluoreszenz von der Probe emittiert wird und Röntgenfluoreszenzlinien innerhalb des vorgegebenen Bereichs der Röntgenenergien umfasst.
System nach Anspruch 11, ferner umfassend eine Röntgenquelle, die dazu konfiguriert ist, den ersten Röntgenstrahl zu erzeugen.
System nach Anspruch 11, wobei der Teil des ersten Röntgenstrahls einen ersten Divergenzwinkel in einem Bereich von 5 mrad bis 60 mrad aufweist.
System nach Anspruch 14, wobei die von dem mindestens einen ersten optischen Röntgenspiegel reflektierten Röntgenstrahlen einen zweiten Divergenzwinkel in einem Bereich von weniger als 2 mrad aufweisen.
System nach Anspruch 11, wobei der Teil des ersten Röntgenstrahls divergent ist und die von dem mindestens einen ersten optischen Röntgenspiegel reflektierten Röntgenstrahlen kollimiert werden.
System nach Anspruch 11, wobei die von dem mindestens einen ersten optischen Röntgenspiegel reflektierten Röntgenstrahlen ein Energiespektrum aufweisen, das im Wesentlichen gleich dem ersten Energiespektrum in dem vorbestimmten Bereich von Röntgenenergien ist.
System nach Anspruch 11, wobei der mindestens eine erste optische Röntgenspiegel eine paraboloidförmige reflektierende Oberfläche umfasst.
System nach Anspruch 18, ferner umfassend mindestens einen Strahlstopp, der dazu konfiguriert ist, zu verhindern, dass ein zweiter Teil des ersten Röntgenstrahls, der nicht von dem mindestens einen ersten optischen Röntgenspiegel reflektiert wird, zu dem zweiten Röntgenstrahl beiträgt.
System nach Anspruch 11, wobei die mindestens eine Mosaikkristallschicht hochorientiertes pyrolytisches Graphit (HOPG) oder hochausgerichtetes pyrolytisches Graphit (HAPG) umfasst, wobei die mindestens eine Mosaikkristallschicht eine Mosaizität in einem Bereich von weniger als 3 Grad aufweist.
System nach Anspruch 11, wobei der mindestens eine tiefengradierte Mehrfachschichtreflektor ein Substrat und eine tiefengradierte Mehrfachschichtbeschichtung auf einer Oberfläche des Substrats umfasst, wobei das Substrat mindestens ein Material umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, Quarz, Glas und Aluminium.
System nach Anspruch 11, wobei der mindestens eine Streiflichteinfallspiegel ein Substrat und eine Beschichtung auf einer Oberfläche des Substrats umfasst, wobei das Substrat mindestens ein Material umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, Quarz, Glas und Aluminium, wobei die Beschichtung mindestens ein Material umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Au, Ir, Pt, W, Cu und Mo.
System nach Anspruch 11, wobei der mindestens eine Streiflichteinfallspiegel einen ersten Streiflichteinfallspiegel und einen zweiten Streiflichteinfallspiegel umfasst, wobei der erste Streiflichteinfallspiegel dazu konfiguriert ist, den reflektierten Teil der von dem mindestens einen ersten optischen Röntgenelement empfangenen Röntgenstrahlen zu reflektieren und den zweiten Röntgenstrahl in Richtung einer Probe durchzulassen, wobei der zweite Streiflichteinfallspiegel dazu konfiguriert ist, einen Teil des reflektierten Teils der Röntgenstrahlen, die von dem mindestens einen ersten optischen Röntgenelement empfangen werden, in Richtung der Probe zu reflektieren.
Röntgensystem, umfassend: mindestens eine Röntgenquelle, die dazu konfiguriert ist, Röntgenstrahlen zu erzeugen; und mindestens ein optisches Röntgenelement, das dazu konfiguriert ist, mindestens einige der Röntgenstrahlen von der mindestens einen Röntgenquelle zu empfangen und zu fokussieren, wobei das mindestens eine optische Röntgenelement Folgendes umfasst: mindestens ein Substrat umfassend eine Oberfläche; und mindestens eine tiefengradierte Mehrfachschichtbeschichtung auf der Oberfläche, wobei die mindestens eine tiefengradierte Mehrfachschichtbeschichtung dazu konfiguriert ist, Röntgenstrahlen mit Energien in einem ersten Energiebereich im Wesentlichen zu reflektieren und Röntgenstrahlen mit Energien in einem zweiten Energiebereich, der sich mit dem ersten Energiebereich nicht überschneidet, im Wesentlichen nicht zu reflektieren.
System nach Anspruch 24, wobei das mindestens eine Substrat einen Teil einer axialsymmetrischen Röhre mit einer Längsachse umfasst, wobei die Oberfläche eine Innenfläche des Teils umfasst.
System nach Anspruch 25, wobei die Oberfläche ein ellipsenförmiges Querschnittsprofil in einer Ebene entlang der Längsachse aufweist.
System nach Anspruch 24, wobei mindestens ein Teil der Oberfläche eine Form aufweist, die zur Verkleinerung eines Teils der mindestens einen Röntgenquelle, von der die Röntgenstrahlen erzeugt werden, konfiguriert ist.
System nach Anspruch 24, wobei die tiefengradierte Mehrfachschichtbeschichtung ein erstes Reflexionsvermögen von mehr als 30 % für Röntgenstrahlen in dem ersten Energiebereich und ein zweites Reflexionsvermögen von weniger als 10 % für Röntgenstrahlen in dem zweiten Energiebereich aufweist.
System nach Anspruch 24, wobei die tiefengradierte Mehrfachschichtbeschichtung eine Vielzahl von Zweischichtpaaren umfasst, wobei jedes Zweischichtpaar eine Dicke d aufweist, wobei mindestens einige der Zweischichtpaare unterschiedliche Dicken d voneinander aufweisen.
System nach Anspruch 29, wobei die Zweischichtpaare in mehreren Sätzen benachbarter Zweischichtpaare konfiguriert sind, wobei die Zweischichtpaare eines ersten Satzes jeweils eine erste Dicke d₁ aufweisen, die Zweischichtpaare eines zweiten Satz jeweils eine zweite Dicke d₂ aufweisen, die größer als die erste Dicke d₁ ist, und die Zweischichtpaare eines dritten Satzes jeweils eine dritte Dicke d₃ größer als die zweite Dicke d₂ aufweisen.
System nach Anspruch 24, ferner umfassend eine Halterung, die dazu konfiguriert ist, ein zu analysierendes Objekt zu halten, wobei das mindestens eine optische Röntgenelement dazu konfiguriert ist, die reflektierten Röntgenstrahlen auf das Objekt zu fokussieren.
System nach Anspruch 24, ferner umfassend mindestens ein Röntgendetektorsubsystem, das dazu konfiguriert ist, Fluoreszenzröntgenstrahlen von dem Objekt zu detektieren, wobei die Fluoreszenzröntgenstrahlen in dem zweiten Energiebereich liegen.