实验室X射线劳厄背散射测试一站式解决方案——从核心部件到交钥匙系统
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一、引言
图1. 劳厄衍射实验图案（左），劳厄百年纪念邮票（右）
1895年，德国物理学家威廉·伦琴发现了X射线，揭开了X射线应用科学研究的新篇章。随后在1912年，同来自德国的马克斯·冯·劳厄（Max von Laue）使用X射线照射晶体，首次观察到衍射图样，不仅验证了X射线是电磁波，还揭示了晶体内部的周期性结构。这一发现为X射线晶体学的发展奠定了基础，帮助科学家们打开了探索物质微观世界的大门，劳厄也因这一杰出的贡献于1914年获得诺贝尔物理学奖。
得益于1913年英国物理学家威廉·亨利·布拉格与其子劳伦斯·布拉格提出的布拉格定律（2d sinθ = nλ）和X射线光管亮度的不短提升和高亮同步辐射装置的诞生，其衍生出非常多的晶体分析技术和仪器，其中包括单晶X射线单晶衍射(SCD)，粉末X射线衍射(PXRD)，高分辨X射线衍射（HRXRD），X射线衍射CT（XDCT）和三维X衍射成像（3DXRD or BCDI）。相较于新兴的用于解析晶体内部缺陷成像的3DXRD技术，先在实验室实现的X射线劳厄背散射经典分析技术，至今质量控制和科学研究仍有广泛的应用，并基于部件性能的提升在不短迭代，以免当先的分析需求。
二、 劳厄衍射技术简介
图2. 透射劳厄衍射（左）；背反射（右）
如上图2，劳厄衍射通常具有透射模式和背反射模式。使用一个多色低能（50keV）X 射线束照射样品，满足晶体不同晶面布拉格条件（2dsinθ=nλ）的透射或者反射衍射X射线是形成沿“晶带轴圆锥”分布的劳厄衍射花样。同一晶带的衍射斑呈双曲线或直线排列，通过对衍射斑点的空间分布进行反演可以确定晶体的取向。
背散射几何是目前实验室X射线劳厄衍射系统最常用的结构几何。衍射线被位于X射线源和样品中间的探测器收集，相较于透射几何（透射几何多用于单晶结构解析），背散射的光路结构解决了厚样品及含重原子晶体样品无法被X射线穿透的难题，使得大尺寸工业生长的晶体样品表征成为可能。
三、 影响实验室X射线劳厄背散射系统的性能的关键因素
3.1 X射线光源+光学器件
无论是透射几何还是背散射几何，在探测器上获得清晰的、可索引的劳厄衍射斑是反演晶体取向、分析晶粒分布及晶体结构质量的关键。如下图3所示，只有当入射X射线束的尺寸小于所表征的晶体尺寸时，在探测面上才能清晰地观测到晶体的衍射信号。
图 3射线劳厄衍射系统对不同尺度晶体的表征结果
在大部分的实验室X射线劳厄衍射系统中，其采用针孔准直器作为X射线束调制元件只能实现单晶样品或大尺寸晶粒样品的结构分析，难以对多晶小晶粒样品进行扫描和表征[1]。与此同时，受小尺寸针孔对X射线有效光收集效率的限制，单张劳厄衍射图像的采集时间通常需要3分钟以上（基于高性能大面阵CCD探测器），针对弱散射晶体材料的曝光时间会更长[2]。
图4 SpotLight-P微焦点X射线光源（耦合多毛细管X光透镜）实物图
如上图4，在先进的实验室X射线劳厄衍射系统中，耦合毛细管的微焦X射线源往往是最优选择。得益于高通量、小焦斑、低发散度和易维护特点，可以进一步的提高分析速度。如下图5所示，红色曲线是模拟50W微焦点不佟能量X射线的光强，而蓝色曲线是考虑多毛细管X光透镜传输效率后的不同能量X光强度，其中黑色曲线为1200W衍射X射线源的模拟光强。由于基于衍射需求选取多毛细管X光透射的OFD（毛细管X光透射输出端到聚焦点的距离）是270mm，聚焦尺寸为300微米（FWHM），所以把它的强度与1200W衍射管出光口后270mm放置一个300微米针孔的强度进行对比，可以得到绿色增益曲线。 可以看到耦合多毛细管X光透镜的微焦点X射线源，相较于大功率衍射管的高达3600倍的强度增益。
图5 毛细管耦合50W微焦点X射线源与2000W的衍射X射线源输出强度模拟曲线对比
3.2 探测器
在探测器方面，传统的胶片或成像板虽然价格便宜，但受空间分辨率差、灵敏度低、信号读出不便捷等因素限制，使得图像采集速度慢，无法实现晶体的实时定向分析，已经逐渐被高性能的大面阵CCD探测器所取代，对于需要更高分析速度和精度的应用，我通常推荐具有高灵敏度、零噪声、高探测效率和高帧率的光子计数、像素化X射线探测器（又称：混合像素X射线探测器）。
同时，由于传统常见CCD探测器和光子计数、像素化X射线探测器中心本身并没有用于X射线传输的孔设计，要实现背散射几何的X射线劳厄衍射，往往只有从入射X射线两侧（固定角度）收集衍射信号，并通过多角度图像拼接，实现劳厄衍射图样的采集，这不仅仅需要样品的测角仪和探测器实现联动控制，同时复杂的数据后处理增加了系统的难度[3]。所以我们通常都是推探测器的构型采用特殊设计，以在探测器中心预留一个1mm左右的通孔以确保X射线的无损传输，详见如下图6和7。
图6 中心带孔的X射线劳厄CCD探测器
图7 中心带孔的光子计数、像素化X射线探测器
3.3 多毛细管微焦点X射线源和带孔的CCD探测器完美组合
图8 一体化的交钥匙实验室X射线劳厄背散射系统
如下图9所示，爱丁堡极端条件科学中心Whitley等研究人员基于多毛细管X射线源耦合多毛细管X光透镜的微焦点X射线源和高性能带孔CCD探测器搭建的X射线劳厄衍射系统对直拉法生长的UAu2大晶体进行晶粒扫描的结果，单个图像点扫描的采集时间仅需1s，采集效率远超常规的平板探测器[3, 4]。一方面，得益于多毛细管的高度聚焦效率，在样品上实现了小于0.34 mm的小焦斑尺寸，同时针对17.4 keV能量的X射线强度增益达到了10以上，显著优于传统基于针孔调制的实验方案。另一方面，基于CCD的微秒级图像采集能力和多帧图像累加平均的功能，进一步提高了衍射图样的衬度，有效提升了图像采集的效率和图像质量。
图9 采用CCD探测器对直拉法生长的UAu2大晶体进行晶粒扫描的结果[3]
（单张图像的采集时间为1s）
四、实验室X射线劳衍射技术最新研究进展
4.1 高亮同步辐射光源和带孔混合像素X射线探测器的完美组合
来自日本同步辐研究所及东京理科大学等单位的研究员在日本Sprig 8同步辐射搭建了一套微区扫描 x 射线背散劳埃显微镜，研究了永磁体中磁体颗粒的尺寸和方向分布，并阐明了其与矫顽力的关系【5】。
图10 劳埃衍射显微实验装置
如上图10 X 射线束穿过带有 3mm*3mm 中心孔的众星联恒合作伙伴捷克Advacam公司的AdvaPIX TPX3 Quad 探测器，随之打在样品上，样品放置在多维的平移台上用于调节样品姿态，探测器会收集向后散射的 X 光。为了选择合适的光束线进行分析，研究人员分别比较了 BL28B2、BL40XU 和 BL39XU 线站的复色 X 射线、粉色光束 X 射线（Pink X-ray beam）和纳米聚焦单色 X 射线的衍射图案。由于低背景和使用纳米束的优点，作者认为使用单色 X 射线束是有效的。
4.2 数微米级微区实验室劳衍射技术的探索
来及丹麦技术大学Yang Zhang等研究人员搭建一套基于单毛细管高亮微焦点X射线源（最高160Kv，10W）和众星联恒合作伙伴捷克Advacam公司的Minipix多功能混合像素X射线探测器搭建一套X射线劳厄微束衍射系统【6】。装置原理图，如下图 11.
图 11 X射线劳厄微束衍射系统布局示意图
研究人员使用该系统测试了使用激光增材制造的AlSi10Mg合金，同时在APS同步辐射进行了测试。目的是找出表征这些微观结构特征所面临的挑战，并提出解决这些挑战的未来研究方向。
图11 使用实验室系统测试的图像
如上图(a)是 打印的 AlSi10Mg 合金衍射图和 图(b) Si 单晶的衍射。(a) 中黄色箭头标记的环状特征是直接聚焦光束穿过光束遮挡器的痕迹，而中心区域的大片亮区则是直接聚焦光束通过屏蔽层针孔泄漏造成的。(a) 中背景水平高于 (b) 是由于曝光时间较长（20 秒对 1 秒）造成的。
对于实验室 X射线劳厄微束衍射系统，研究人员提出的未来的发展方向包括改进软件开发，使其能够适应取向扩展，以及改进数据采集程序，使其能够涵盖来自多个入射角度的衍射斑点。这些因素的结合，或许能够实现对增材制造金属进行合理的微观结构表征。尽管曝光时间相对较长（20 秒），光束尺寸较大（约 10 μm），但一旦实验室系统的潜力得到充分发挥，其无限的可及性将使其成为表征 3D 微观结构的有力工具。
五、小结
相较于新兴的用于解析晶体内部缺陷成像的3DXRD技术，早在实验室实现的X射线劳厄背散射经典分析技术至今仍在质量控制和科学研究领域有广泛的应用，并基于部件性能的提升在不断迭代，以面对当先的分析需求。为了满足对于晶体材料结构更为精细的表征，无论是实验室系统和还是同步辐射装置，都在不断提升其分析能力。
众星联恒作为一家专业的极紫外、X射线核心部件及解决方案提供商，我们可以为您提供：
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参考文献：
[1] Lynch P. A., Stevenson A. W., et al., A laboratory based system for Laue micro x-ray diffraction. Rev. Sci. Instrum., 2007, 78 (2): 023904.
[2] Huang V. W., Liu Y., et al., Upgraded LauePt4 for rapid recognition and fitting of Laue patterns from crystals with unknown orientations. J. Appl. Cryst., 2023, 56, 1610-1615.
[3] Whitley W., Stock C., et al., A laboratory-based Laue X-ray diffraction system for enhanced imaging range and surface grain mapping. J. Appl. Crystallogr., 2015, 48 (4), 1342-1345.
[4] Christian A. B., Neumeier J. J., Cone R. L., Economical Laue x-ray diffraction using photographic film and orientation of single crystals. Rev. Sci. Instrum., 2020, 91, 051401.
[5] 隅谷和嗣, et al. "光源の違いによる走査型 X 線後方散乱ラウエ顕微鏡の性能比較." SPring-8/SACLA 利用研究成果集 9.6 (2021): 405-410.
[6] Zhang, Y., et al. "Challenges in characterizing additively manufactured AlSi10Mg using X-ray Laue micro-beam diffraction." IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 1310. No. 1. IOP Publishing, 2024.
文案：β · GONG
校对：凯文
编辑：Sylvia
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