基于 Si 和 Ge 的高质量 X 射线晶体光学元件及其应用

X 射线与晶体作用原理

由于 Si 和 Ge 等晶体的原子间距和X射线的波长相当，都在埃量级，所以 X 射线与晶体作用时就相当于是一个三维的体光栅，根据布拉格定律，X 射线会在晶体的晶格平面发生衍射，并满足以下公式。

2d sinθ = kλ

其中，

• λ 是入射 X 射线光束的波长；

• θ 被称为布拉格角，即满足上述布拉格公式时，X 射线被晶体衍射时的角度；

• λ 和 θ 两个参数通过晶面间的原子间距 d，在物理上联系在了一起。一旦为特定的衍射选择了确定的晶体材料后，晶面间距d就确定了；

• 2d 值则规定了该晶体能发生衍射的最长波长；

• 一般而言, 常用的布拉格角被限制在85°以内。

从布拉格定律出发， X 射线光学晶体材料的选型原则如下：

• 波长范围和布拉格角共同决定了 2d 值的选择；

• 材料能够耐受 X 射线束的通量及能量的能力；例如，有机晶体不能耐受高通量的 X 射线束，或反复的（较高通量的）X 射线束曝光；

• 当需要对其进行弯曲时，有足够的机械能力；

• 晶体的衍射/反射能力；

• 然后可以通过晶体的成本来确定最经济的选择。

Si、Ge 和 Quartz被公认为是具有最高质量晶格的晶体，在耐受高通量 X 射线光束的同时，其力学特性使得它们可以被加工成各种形状。同时，它们完全与传统晶体的波长范围范围相当。所以法国 Alpyx 公司选择了这三类晶体来制作高性能的 X 射线晶体光学元件。

• 定向精度（二维）： +/- 5 min of arc （+/- 30 sec of arc 可咨询）

• 取向，尺寸及厚度灵活可选

◾◾ 一维、二维 Johann 和 Johansson 型晶体

Johann 和 Johansson 晶体理论上可以在 X 射线束的子午方向上产生聚焦。Johann 构型也可用于 Von Hamos 结构中，垂直于 Rowland 圆平面以产生聚焦光谱。这两种可能性之间的选择很大程度上取决于罗兰圆的半径值和晶体的长度。只有 Johansson 才能完美聚焦，它要求高精度的加工，而 Alpyx 正是这方面的专家。

下图是使用 Alpyx 生产的大尺寸 Si(111) Johansson 晶体的测试结果，可以看到 Johansson 晶体绝佳的单色性：

除常见的柱面 Johann /Johansson 外，二维聚焦的 Johann / Johansson 对 Alpyx 来说也是可能的。

对于二维的 Johann / Johansson 来说，有子午面半径 R_m 和弧矢面半径 R_s 两个概念：

• R_m = 2 x R_rowland

• R_s = R_m x sin2θ （θ为布拉格角）

从以上公式可以看出

1. 对于低布拉格角，R_s <<< R_m, 那么双曲就变得不可能了；

2. 弧矢曲率的使用仅限于一个布拉格角；

3. 弧矢曲率会给晶格带来额外的应力。

基于目前的二维聚焦镜片的局限性，Alpyx 提出了两种专利新构型以解决以上问题：1. 当弧矢弯曲困难时，晶体将工作在固定的布拉格角度；2. 将多块晶体固定在测角仪上，以适用于一定范围内的每个布拉格角度。

典型应用：

• 粉末衍射

• Simultaneous WDXRF/EDXRF

• 精细光谱

◾◾◾ Channel cut

由于 channel cut 晶体是从一块晶体切割来的两个面，故两个面的物理性质完全一致，每次衍射曲线完全重合，有很高的积分反射率；经过多次衍射后能够有效减小晶体自身的角宽度，因此，降低光束线的各级单色器的衍射角分辨可以有效提高出射线的能量分辨率。

channel cut 具有调谐快、传输效率高、能带窄、准直性高、消色散和结构简单等优点。Alpyx 拥有切割和生产各种几何形状和尺寸的 channel cut 的专有技术，且其自有的 channel cut 表面处理工艺在晶体表面不抛光的情况下也能获得良好的强度和分辨率。

交付实例：

典型应用：

• X 射线微探针

• 扫描 X 射线光刻

• HRXRD，SAXS

• 常规和同步加速器上的光束聚光器

◾◾◾◾ 零背景衍射板

利用单晶衍射只产生衍射斑的原理，只需要选定合适的晶面切割便可在探测器上避开特定位置的衍射。使用晶体作为背景板，得到的 XRD 图是绝对干净的(X 射线上没有衍射)。即使在非常低的强度下，也可以很轻易地探测到样品的布拉格反射。零背景衍射板是粉末 XRD 完美的样品支架（在10 ~ 120°(2θ角Cu Ka)无背景噪声），且与大多数 XRD 设备兼容。