(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線源からのＸ線ビームを調整し、前記調整されたＸ線ビームが収束角を有する２次元光学装置と、
固定部と、前記固定部に対して移動可能であって、前記Ｘ線ビームの一部を選択的に遮ることにより前記Ｘ線ビームの前記収束角を調整する可動部とを有する、少なくとも１つのアパーチャと
を含むＸ線光学装置。
【請求項２】
前記固定部がスリットであり、前記可動部が前記スリットを横切って移動するブレードである、請求項１に記載のＸ線光学装置。
【請求項３】
前記固定部がピンホールであり、前記可動部が前記ピンホールを横切って移動するブレードである、請求項１に記載のＸ線光学装置。
【請求項４】
前記固定部が固定ブレードであり、前記可動部が可動ブレードである、請求項１に記載のＸ線光学装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つのアパーチャと試料との間に配置された第２のアパーチャをさらに含み、前記第２のアパーチャは試料に隣接して配置されている、請求項１に記載のＸ線光学装置。
【請求項６】
前記第２のアパーチャが、スリット又はピンホールである、請求項５に記載のＸ線光学装置。
【請求項７】
前記第２のアパーチャがスリットである、請求項５に記載のＸ線光学装置。
【請求項８】
前記第２のアパーチャがピンホールである、請求項５に記載のＸ線光学装置。
【請求項９】
前記可動部が、高収束位置と低収束位置との間で移動可能であり、前記高収束位置および前記低収束位置は、アパーチャのブレードの相対的な位置であり、前記高収束位置では、より少ないＸ線ビームが遮られ、結果として大きい収束角となり、前記低収束位置では、より多くのＸ線ビームが遮られ、結果として小さい収束角となる、請求項１に記載のＸ線光学装置。
【請求項１０】
前記第１の可動部と前記固定部とに対して移動可能な第２の可動部をさらに含む、請求項１に記載のＸ線光学装置。
【請求項１１】
前記光学装置が多層光学装置である、請求項１に記載のＸ線光学装置。
【請求項１２】
前記光学装置がＸ線反射結晶である、請求項１に記載のＸ線光学装置。
【請求項１３】
前記アパーチャが、前記光学装置と試料との間に配置される、請求項１に記載のＸ線光学装置。
【請求項１４】
前記光学装置が、Ｘ線源から見て近位側に位置する近位部と、遠位側に位置する遠位部とを有し、前記アパーチャが、前記光学装置の前記遠位部近くに配置される、請求項１３に記載のＸ線光学装置。
【請求項１５】
前記アパーチャが、前記光学装置と前記Ｘ線源との間に配置される、請求項１に記載のＸ線光学装置。
【請求項１６】
第１の反射面を形成する第１の光学素子と、
第２の反射面を形成する第２の光学素子とを含み、前記第１の反射面と前記第２の反射面とが、Ｘ線源から放射されたＸ線ビームを反射し、前記反射されたＸ線ビームが収束角を有し、
さらに、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子とに連結された少なくとも１つのアパーチャをさらに含み、前記アパーチャが、固定部と、前記固定部に対して移動可能であって、前記アパーチャの形状を調整する可動部とを有し、前記アパーチャの前記形状が調整されて、前記Ｘ線ビームの一部を選択的に遮ることにより、前記Ｘ線ビームの収束角を調整するＸ線反射光学装置。
【請求項１７】
前記第１の反射面が前記第２の反射面に直交する、請求項１６に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項１８】
少なくとも１つの前記反射面が楕円形である、請求項１６に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項１９】
前記両反射面が楕円形である、請求項１８に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項２０】
一方の前記反射面が楕円形であり、他方の前記反射面が放物線状である、請求項１８に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項２１】
少なくとも１つの前記反射面が放物線状である、請求項１６に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項２２】
前記両反射面が放物線状である、請求項２１に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項２３】
前記固定部がスリットであり、前記可動部が前記スリットを横切って移動するブレードである、請求項１６に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項２４】
前記固定部がピンホールであり、前記可動部が前記ピンホールを横切って移動するブレードである、請求項１６に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項２５】
前記固定部が固定ブレードであり、前記可動部が可動ブレードである、請求項１６に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項２６】
前記Ｘ線反射光学装置が、Ｘ線源から見て近位側に位置する近位部と、遠位側に位置する遠位部とを有し、前記固定ブレード及び前記可動ブレードが、前記Ｘ線反射光学装置の前記遠位部近くに配置される、請求項２５に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項２７】
前記固定ブレード及び前記可動ブレードが、それぞれＬ字形である、請求項２５に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項２８】
前記可動ブレードが、高収束位置から低収束位置へ移動可能であり、前記高収束位置および前記低収束位置は、アパーチャのブレードの相対的な位置であり、前記高収束位置では、より少ないＸ線ビームが遮られ、結果として大きい収束角となり、前記低収束位置では、より多くのＸ線ビームが遮られ、結果として小さい収束角となる、請求項２５に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項２９】
前記Ｘ線反射光学装置が、Ｘ線源から見て近位側に位置する近位部と、遠位側に位置する遠位部とを有し、前記低収束位置で、前記可動ブレードが、前記Ｘ線反射光学装置の前記遠位部から反射するＸ線ビームを遮る、請求項２８に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項３０】
前記第１の光学素子が第１の多層光学装置であり、前記第２の光学素子が第２の多層光学装置である、請求項１６に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項３１】
前記第１の多層光学装置及び前記第２の多層光学装置が、勾配型格子面間隔を有する、請求項３０に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項３２】
前記第１の多層光学装置及び前記第２の多層光学装置が、深さが勾配型格子面間隔を有する、請求項３１に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項３３】
前記第１の多層光学装置及び前記第２の多層光学装置が、横方向に勾配型格子面間隔を有する、請求項３１に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項３４】
前記第１の光学素子が第１のＸ線反射結晶であり、前記第２の光学素子が第２のＸ線反射結晶である、請求項１６に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項３５】
前記アパーチャが、前記Ｘ線源と、前記第１及び第２の光学素子との間に配置される、請求項１６に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項３６】
Ｘ線ビームを調整する光学素子であって、前記調整されたＸ線ビームが収束角を有し、前記光学素子は、Ｘ線源から見て近位側に位置する近位部と、遠位側に位置する遠位部とを有する、前記光学素子と、
前記光学素子の前記遠位部に取り付けられ、前記光学素子により送出された前記Ｘ線ビームの一部を選択的に遮ることにより、前記Ｘ線ビームの前記収束角を調整するように調整されるアパーチャと
を含むＸ線反射光学装置。
【請求項３７】
前記アパーチャが絞りである、請求項３６に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項３８】
前記アパーチャが、固定部と、前記固定部に対して移動可能な可動部とを有し、前記可動部を前記固定部に対して移動させることにより調整される、請求項３６に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項３９】
前記固定部がスリットであり、前記可動部が前記スリットを横切って移動するブレードである、請求項３６に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項４０】
前記固定部がピンホールであり、前記可動部が前記ピンホールを横切って移動するブレードである請求項３６に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項４１】
前記固定部が固定ブレードであり、前記可動部が可動ブレードである、請求項３６に記載のＸ線反射光学装置。
【請求項４２】
前記光学素子が２次元光学素子である、請求項３６に記載のＸ線反射光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２００３年２月２８日付提出の米国仮出願第６０／４５１１１８号の恩恵を主張する。
【０００２】
前記出願のすべての内容が、参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
本発明は、Ｘ線光学システムに関する。特に、本発明は、Ｘ線ビームを調整するＸ線光学システムに関する。
【０００４】
研究者らは、長年、Ｘ線回折実験において集束Ｘ線光学装置を使用して、試料に入射する光束を増加させることにより、ＳＮ比を増加させている。集束光学装置は、多数の光子を試料に向けることにより光束を増加させる。さらに、光学装置の焦点に、又は焦点近くに検出装置を配置することにより、システムの解像度を大きく向上させることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、多層光学装置を集束させる場合、この種の光学装置の収束角が、多くの用途における適用可能性を限定する。これは、ある用途で、種類の異なる試料に対して、異なる収束角、したがって異なる光学装置がしばしば必要とされるためである。さらに、異なる応用の要求に応えるため、異なる焦点距離を持つ複数の光学装置が使用される。したがって、しばしば異なる試料の同一の測定、又は同一の試料の異なる測定を行うため異なる集束光学装置が使用される。光学素子の交換が研究者、特に業界全般の費用と時間を消費するため、異なる光学装置の使用は、効率が悪く経済的でない。
【０００６】
焦点距離を調整可能な光学装置が提案されている。この種の光学装置の一例は、従来の曲げ全反射ミラーである。しかし、この種のミラーの位置合わせ及び調整は難しく、非常に時間がかかり、光学装置の位置合わせ又は調整に不備があると、システムの性能が低下する。さらに、この手法は、曲げ全反射ミラーが、同時に満たすべきブラッグ条件と、幾何学的条件との両方を満たすことができないため、多層光学装置を使用することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前述した点を考慮して、本発明は、集束光学装置と調整可能な収束角とを有するＸ線光学装置を提供する。集束光学装置は、特に対象とする適用に十分な大きさの収束角を有する。調整可能なアパーチャは、Ｘ線ビームの一部を選択的に遮ることにより、収束角を減少させる。試料に入射するＸ線ビームは、適合性のある収束を持ち、且つ必要な光束及び解像度を持つ光学装置から放出されて、Ｘ線回折プロセスの質及び効率を向上させる。
【０００８】
小角Ｘ線散乱及びタンパク質結晶学等の、Ｘ線回折及び散乱の分野で特に関心がもたれるのは、２次元Ｘ線ビームの調整である。この種の適用では、本発明のある実施例が、光学装置と一体化されているか、又は光学装置に近接して配置されている調整可能なアパーチャを持つ共焦点光学システムを含む。ある適用においてビームの収束を制限することにより、本発明の光学装置は、純スペクトルと、回折及び散乱の適用で使用するのに必要とされる発散とを持つ、高輝度の２次元Ｘ線ビームを提供する。
【０００９】
本発明の更なる特徴及び利点は、図面、詳細な説明、及び特許請求の範囲から明らかになろう。
【００１０】
本発明の種々の実施例によれば、改良されたＸ線光学装置は、ユーザがＸ線の入射ビームの収束を容易かつ効果的に調整できるようにする、調整可能なアパーチャを組み込んでいる。このようにすることで、可能性のある測定をすべて考慮した最大収束を有する光学装置を使用し、アパーチャを調整して特定の測定に合わせた収束を選択することにより、Ｘ線システムの光束及び解像度を最適化することができる。したがって、光束及び解像度が、異なる適用又は測定の必要に応じて容易に調整され最適化されるため、光学システム全体の効率が向上する。
【実施例】
【００１１】
図１を参照すると、Ｘ線源１２と、Ｘ線反射光学装置１４と、第１のアパーチャ１５と、第２のアパーチャ２０とを有するＸ線光学装置１０が示される。Ｘ線源１２は、高輝度回転陽極Ｘ線発生装置又は微小焦点Ｘ線源等の実験Ｘ線源（laboratory source）とすることができ、Ｘ線反射光学装置１４は、例えば、１つ又は２つの反射面を持つ集束多層光学装置、全反射光学装置、Ｘ線反射結晶等とすることができる。
【００１２】
Ｘ線反射光学装置１４は、適用する範囲に十分な大きさの収束角を持つ集束光学装置である。例えば、ある焦点距離及び光束が測定に必要な場合、このような要求を満たすようにＸ線反射光学装置１４が選択された後、収束角がアパーチャ１５、２０により調整される。すなわち、Ｘ線ビームがＸ線源１２から反射光学装置１４に向けて放射されると、第１のアパーチャ１５及び第２のアパーチャ２０が、反射光学装置１４からの反射Ｘ線を整形する。
【００１３】
第１のアパーチャ１５は、固定部１６と、固定部１６に対して移動して、第１のアパーチャ１５の大きさ及び形状を変化させる可動部１８とを含む。第２のアパーチャ２０は、生物試料又はタンパク質等の試料２２に隣接して配置され、この試料の像がＸ線検出装置２４により捕捉される。
【００１４】
図示したように、第１のアパーチャ１５は、二枚ブレード・アパーチャである。すなわち、固定部１６は、固定ブレードで、可動部１８は可動ブレードである。しかし、第１のアパーチャ１５は、固定・可動ブレード・システム、固定・可動ピンホール・システム、固定・可動スリット・システム、又は可動絞りのいずれかの組み合わせとすることができる。さらに、種々の実施例において可動部１８が固定部１６に対して可動であれば、適宜、第１のアパーチャ１５を、固定ピンホール又はスリット及び可動ブレード、或いは固定スリット及び可動ピンホールとすることができる。
【００１５】
第２のアパーチャ２０の形状は、試料２２に入射する光束を最大化し、且つ、第２のアパーチャ２０を透過しても試料に当たらないＸ線を遮ることにより、試料周りの背景放射を減少させるような形状である。第２のアパーチャは、スリット、ピンホール、又は、逸れたＸ線若しくは発散するＸ線等のＸ線放射の一部を遮りながら、試料２２に当てるＸ線放射を効果的に透過させる多ブレード・システムのいずれかの組み合わせとすることができる。
【００１６】
動作時に、Ｘ線源１２は、Ｘ線反射光学装置１４の方向にＸ線照射野１３を作る。光学装置１４により反射されたＸ線照射野１３は、一般に、近位照射野１３ａとして特定される、Ｘ線反射光学装置１４の近位側から反射する部分と、遠位照射野１３ｂとして特定される、Ｘ線反射光学装置１４の遠位側から反射する部分とに分割される。
【００１７】
図示したように、反射されたＸ線照射野１３の遠位照射野部１３ｂは、第１のアパーチャ１５が低収束に設定されているときに、可動部１８により遮られる。したがって、反射されたＸ線照射野１３の近位照射野部１３ａのみが試料２２に入射する。最も効率の高いＸ線反射光学装置１４の部分から近位照射野１３ａを反射させることにより、試料２２に入射する光束が最大化される。反射されたＸ線照射野１３の遠位照射野部１３ｂを遮ることのないような高収束位置に可動部１８を移動させることができる。図１はＸ線光学装置１０の１次元特性を示すが、前述した原理は、図４及び５に示すＸ線光学装置３１等の２次元のＸ線照射野を反射させるＸ線光学装置にも、同様に適用可能である。
【００１８】
図２では、第１のアパーチャ２５の構成部品の相対移動及び配置が示される。図２では、Ｘ線の伝播方向としてｚ軸が指定されたデカルト座標系が示され、第１のアパーチャ２５の特徴をよりよく示している。
【００１９】
第１のアパーチャ２５は、概してＬ字形の固定部２６を含む。第１の可動部２８は、ｚ軸に沿って固定部２６の後側に配置され、第２の可動部３０は、ｚ軸に沿って第１の可動部２８の後側に配置される。第１の可動部２８は、垂直方向、すなわちｙ軸に沿って移動可能であり、第２の可動部３０は、水平方向、すなわちｘ軸に沿って移動可能である。動作時に、第１の可動部２８と第２の可動部３０とは独立して、又は組み合さって移動し、第１のアパーチャ２５により形成された通路の大きさを増減する。
【００２０】
図３を参照すると、Ｘ線の伝播方向、すなわちｚ軸に沿った第１のアパーチャ２５が示される。固定部２６がほぼＬ字形であり、第１の可動部２８及び第２の可動部３０がほぼ矩形であるため、第１のアパーチャ２５により規定された通路も、ほぼ矩形又は正方形となる。しかし、固定部２６、第１の可動部２８、及び／又は（and/or）第２の可動部３０の形状を修正して、結果として生じる通路を所望の形状に変形することができる。したがって、第１のアパーチャ２５が所望の横断面形状のビームを形成するように、オペレータは、固定部２６、第１の可動部２８、及び第２の可動部３０の形状を選択することができる。
【００２１】
図４及び５では、本発明の別の実施例による、一体型の調整可能なアパーチャとして前述したＸ線光学装置３１が示される。これらの図の各々でも、１組のデカルト軸が示され、Ｘ線光学装置３１の動作をよりよく示している。
【００２２】
２次元Ｘ線ビームの収束を変化させるために、Ｘ線光学装置３１は、共焦点光学装置４０と、共焦点光学装置４０に取り付けられて断面角を調整する調整可能なアパーチャ４２とを含む。調整可能なアパーチャ４２を、共焦点光学装置４０に近接させて配置してもよいため、共焦点光学装置４０に取り付ける必要はないことに注目すべきである。
【００２３】
共焦点光学装置４０は、ｙ−ｚ面内にある第１の光学素子３２ａと、ｘ−ｚ面内にある第２の光学素子３２ｂとを含む。第１の光学素子３２ａは、第１の反射面３３ａを規定し、第２の光学素子３２ｂは第２の反射面３３ｂを規定する。ある構成では、共焦点光学装置４０の近位部４１ａがＸ線源の最も近くに配置されるため、遠位部４１ｂがＸ線源からさらに遠くに配置されて、近位部４１ａよりも効率が低下する。共焦点光学装置４０の使用時に、Ｘ線は、ｚ軸にほぼ平行な光軸に沿って伝播する。
【００２４】
一部の実施では、第１の光学素子３２ａ及び第２の光学素子３２ｂが、勾配型格子面間隔（graded d-spacing）を有する多層反射板である。すなわち、第１の光学素子３２ａ及び第２の光学素子３２ｂが、横方向に勾配型格子面間隔か、又は深さが勾配型格子面間隔を有する。Ｘ線光学装置３１により実行される測定の種類に応じて、第１の反射面３３ａと第２の反射面３３ｂの両方を楕円形又は放物線状としても、又は反射面３３ａと反射面３３ｂとを異なる形状としてもよい。例えば、一方の面を楕円形とし、他方の面を放物線状とすることができる。
【００２５】
調整可能なアパーチャ４２は、ｘ−ｙ面内にあり共焦点光学装置４０に結合されるため、第１の光学素子３２ａ及び第２の光学素子３２ｂに直交する。ある構成では、調整可能なアパーチャ４２が共焦点光学装置４０の遠位部４１ｂに、又は遠位部４１ｂ近くに配置される。これは、より高いシステム効率を得るために、Ｘ線源のできるだけ近くに光学装置４０を配置することが有利であり、またビームが発散成分を有するため、光学装置に、又は光学装置近くにアパーチャを配置することにより、鋭いビームとなるからである。或いは、アパーチャを、Ｘ線源と光学装置４０との間に配置することができる。しかし、このような位置にアパーチャを配置すると、光学装置とＸ線源との間に更なる空間が必要となる。したがって、光学装置とＸ線源との間の距離が受け入れられないほど増加することなくシステム効率が保持できれば、このような構成は使用することができる。
【００２６】
図示したように、調整可能なアパーチャ４２は、固定部３６と、両頭矢印４４で示すように、ｘ−ｙ面内で固定部３６に対して移動可能な可動部３４とを含む。
【００２７】
前述したように、調整可能なアパーチャ４２は、試料に入射する必要な光束を維持しながら、Ｘ線ビームの収束を変化させることができる。可動部３４が固定部３６に向かって矢印４４に沿って移動すると、調整可能なアパーチャ４２は、共焦点光学装置４０の遠位部４１ｂから反射するＸ線を遮る。遠位部４１ｂよりも効率の高い近位部４１ａに関して、調整可能なアパーチャ４２は、高光束の低収束Ｘ線ビームが調整され試料に向けられるようにする。逆に、可動部３４は、矢印４４の方向に固定部３６から離れて移動し、より高い収束及びより高い光束が、アパーチャ４２を透過して試料に当たるようにする。
【００２８】
固定部３６及び可動部３４はほぼＬ字形であるため、調整可能なアパーチャ４２により規定された通路は矩形である。しかし、アパーチャ２５の構成部品と同様に、可動部３４及び固定部３６の形状は、所望の横断面を持つビームを生成する特定の適用の要件により、決定することができる。したがって、可動部３４及び固定部３６は、必ずしもＬ字形でなくてもよい。
【００２９】
したがって、本発明の種々の実施例は、ビーム収束及び試料に入射する光束を最適化するように調整可能な少なくとも１つのアパーチャを有するＸ線光学装置を対象とする。特に、アパーチャは１次元又は２次元で調整可能であり、またアパーチャを、例えば小角Ｘ線散乱及びタンパク質結晶学に特に適した２次元光学素子に組み込むことができる。
【００３０】
他の実施例も、頭記の特許請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明によるＸ線光学システムの概略図である。
【図２】本発明による調整可能なアパーチャの斜視図である。
【図３】光軸に沿って調整可能なアパーチャを示す図である。
【図４】本発明による、一体型の調整可能なアパーチャを有するＸ線光学装置の斜視図である。
【図５】図４のＸ線光学装置を、光軸に沿って示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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