X 射線與晶體作用原理

由于 Si 和 Ge 等晶體的原子間距和X射線的波長(zhǎng)相當(dāng)，都在埃量級(jí)，所以 X 射線與晶體作用時(shí)就相當(dāng)于是一個(gè)三維的體光柵，根據(jù)布拉格定律，X 射線會(huì)在晶體的晶格平面發(fā)生衍射，并滿足以下公式。

2d sinθ = kλ

其中，

• λ 是入射 X 射線光束的波長(zhǎng)；

• θ 被稱為布拉格角，即滿足上述布拉格公式時(shí)，X 射線被晶體衍射時(shí)的角度；

• λ 和 θ 兩個(gè)參數(shù)通過晶面間的原子間距 d，在物理上聯(lián)系在了一起。一旦為特定的衍射選擇了確定的晶體材料后，晶面間距d就確定了；

• 2d 值則規(guī)定了該晶體能發(fā)生衍射的最長(zhǎng)波長(zhǎng)；

• 一般而言, 常用的布拉格角被限制在85°以內(nèi)。

從布拉格定律出發(fā)， X 射線光學(xué)晶體材料的選型原則如下：

• 波長(zhǎng)范圍和布拉格角共同決定了 2d 值的選擇；

• 材料能夠耐受 X 射線束的通量及能量的能力；例如，有機(jī)晶體不能耐受高通量的 X 射線束，或反復(fù)的（較高通量的）X 射線束曝光；

• 當(dāng)需要對(duì)其進(jìn)行彎曲時(shí)，有足夠的機(jī)械能力；

• 晶體的衍射/反射能力；

• 然后可以通過晶體的成本來確定最經(jīng)濟(jì)的選擇。

Si、Ge 和 Quartz被公認(rèn)為是具有最高質(zhì)量晶格的晶體，在耐受高通量 X 射線光束的同時(shí)，其力學(xué)特性使得它們可以被加工成各種形狀。同時(shí)，它們完全與傳統(tǒng)晶體的波長(zhǎng)范圍范圍相當(dāng)。所以法國(guó) Alpyx 公司選擇了這三類晶體來制作高性能的 X 射線晶體光學(xué)元件。

• 定向精度（二維）： +/- 5 min of arc （+/- 30 sec of arc 可咨詢）

• 取向，尺寸及厚度靈活可選

?? 一維、二維 Johann 和 Johansson 型晶體

Johann 和 Johansson 晶體理論上可以在 X 射線束的子午方向上產(chǎn)生聚焦。Johann 構(gòu)型也可用于 Von Hamos 結(jié)構(gòu)中，垂直于 Rowland 圓平面以產(chǎn)生聚焦光譜。這兩種可能性之間的選擇很大程度上取決于羅蘭圓的半徑值和晶體的長(zhǎng)度。只有 Johansson 才能完美聚焦，它要求高精度的加工，而 Alpyx 正是這方面的專家。

下圖是使用 Alpyx 生產(chǎn)的大尺寸 Si(111) Johansson 晶體的測(cè)試結(jié)果，可以看到 Johansson 晶體絕佳的單色性：

除常見的柱面 Johann /Johansson 外，二維聚焦的 Johann / Johansson 對(duì) Alpyx 來說也是可能的。

對(duì)于二維的 Johann / Johansson 來說，有子午面半徑 R_m 和弧矢面半徑 R_s 兩個(gè)概念：

• R_m = 2 x R_rowland

• R_s = R_m x sin2θ （θ為布拉格角）

從以上公式可以看出

1. 對(duì)于低布拉格角，R_s <<< R_m, 那么雙曲就變得不可能了；

2. 弧矢曲率的使用僅限于一個(gè)布拉格角；

3. 弧矢曲率會(huì)給晶格帶來額外的應(yīng)力。

基于目前的二維聚焦鏡片的局限性，Alpyx 提出了兩種專利新構(gòu)型以解決以上問題：1. 當(dāng)弧矢彎曲困難時(shí)，晶體將工作在固定的布拉格角度；2. 將多塊晶體固定在測(cè)角儀上，以適用于一定范圍內(nèi)的每個(gè)布拉格角度。

典型應(yīng)用：

• 粉末衍射

• Simultaneous WDXRF/EDXRF

• 精細(xì)光譜

??? Channel cut

由于 channel cut 晶體是從一塊晶體切割來的兩個(gè)面，故兩個(gè)面的物理性質(zhì)完全一致，每次衍射曲線完全重合，有很高的積分反射率；經(jīng)過多次衍射后能夠有效減小晶體自身的角寬度，因此，降低光束線的各級(jí)單色器的衍射角分辨可以有效提高出射線的能量分辨率。

channel cut 具有調(diào)諧快、傳輸效率高、能帶窄、準(zhǔn)直性高、消色散和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。Alpyx 擁有切割和生產(chǎn)各種幾何形狀和尺寸的 channel cut 的專有技術(shù)，且其自有的 channel cut 表面處理工藝在晶體表面不拋光的情況下也能獲得良好的強(qiáng)度和分辨率。

交付實(shí)例：

典型應(yīng)用：

• X 射線微探針

• 掃描 X 射線光刻

• HRXRD，SAXS

• 常規(guī)和同步加速器上的光束聚光器

???? 零背景衍射板

利用單晶衍射只產(chǎn)生衍射斑的原理，只需要選定合適的晶面切割便可在探測(cè)器上避開特定位置的衍射。使用晶體作為背景板，得到的 XRD 圖是絕對(duì)干凈的(X 射線上沒有衍射)。即使在非常低的強(qiáng)度下，也可以很輕易地探測(cè)到樣品的布拉格反射。零背景衍射板是粉末 XRD 完美的樣品支架（在10 ~ 120°(2θ角Cu Ka)無背景噪聲），且與大多數(shù) XRD 設(shè)備兼容。