Imaging systems for x-ray microscopes and corresponding operation methods

Abstract

A system, comprising: a target layer (112), a support layer (114), and a radiation detector (120). The system is configured to generate an electron beam (152) toward the target layer (112). The target layer (112) is configured to generate X-rays in response to the electron beam (152) hitting the target layer (112). The support layer (114) is configured to dissipate heat from the target layer (112). The support layer (114) is not opaque to the X-rays. The support layer (114) and the target layer (112) have different chemical compositions. The support layer (114) is between the target layer (112) and the radiation detector (120). The support layer (114) is between the target layer (112) and a sample (190). The radiation detector (120) is configured to capture an image of the sample (190) based on an interaction between the sample (190) and the X-rays.

Description

IMAGING SYSTEMS FOR X-RAY MICROSCOPES AND CORRESPONDING OPERATION METHODSBackground

[0001] An X-ray microscope can include an X-ray source and an X-ray detector. A sample to be imaged by the X-ray microscope can be positioned between the X-ray source and the X-ray detector. The X-ray source can send an X-ray beam toward the sample; and the X-ray detector can capture a magnified image of the sample based on the interaction between the X-ray beam and the sample.Summary

[0002] Disclosed herein is a system, comprising: a target layer, a support layer, and a radiation detector. The system is configured to generate an electron beam toward the target layer. The target layer is configured to generate X-rays in response to the electron beam hitting the target layer. The support layer is configured to dissipate heat from the target layer. The support layer is not opaque to the X-rays. The support layer and the target layer have different chemical compositions. The support layer is between the target layer and the radiation detector. The support layer is between the target layer and a sample. The radiation detector is configured to capture an image of the sample based on an interaction between the sample and the X-rays.

[0003] In an aspect, the electron beam is in high vacuum.

[0004] In an aspect, the electron beam is from an electron beam source, and the target layer is between the electron beam source and the support layer.

[0005] In an aspect, the sample is in vacuum.

[0006] In an aspect, the system further comprises a first vacuum chamber and a second vacuum chamber. The electron beam is in the first vacuum chamber. The sample is in the second vacuum chamber. A combination of the target layer and the support layer serves as a wall of both the first vacuum chamber and the second vacuum chamber.

[0007] In an aspect, the target layer comprises platinum, a lanthanide, copper, iron, chrome, tungsten, or a combination thereof.

[0008] In an aspect, the target layer has a shape of a portion of a sphere, and the sample is at a center of the sphere.

[0009] In an aspect, the support layer is in direct physical contact with the target layer.

[0010] In an aspect, one or more portions of the target layer that are configured to receive the electron beam are in direct physical contact with the support layer.

[0011] In an aspect, the support layer comprises beryllium or diamond.

[0012] In an aspect, the sample is in direct physical contact with the support layer.

[0013] In an aspect, the radiation detector is a photon counting detector.

[0014] In an aspect, one or more discrete portions of the target layer are respectively in one or more recesses in the support layer.

[0015] Also disclosed herein is a method of using the system above. The method includes directing the electron beam at a first incident spot on the target layer thereby generating first X-rays from the first incident spot toward the sample and capturing with the radiation detector a first image of the sample based on an interaction between the sample and the first X-rays.

[0016] In an aspect, the method further comprises, after said capturing the first image, directing the electron beam at a second incident spot on the target layer thereby generating second X-rays from the second incident spot toward the sample and capturing with the radiation detector a second image of the sample based on an interaction between the sample and the second X-rays.

[0017] In an aspect, the method further comprises reconstructing a 3-dimensional image of the sample based on at least the first image and the second image.

[0018] In an aspect, a maximum size of the first incident spot measured in a direction parallel to a surface of the target layer at the first incident spot is different from a maximum size of the second incident spot measured in a direction parallel to a surface of the target layer at the second incident spot.

[0019] Brief Description of Figures

[0020] Fig. 1 schematically shows an imaging system, according to an embodiment.

[0021] Fig. 2 shows a flowchart generalizing the operation of the imaging system, according to an embodiment.

[0022] Fig. 3 shows the imaging system with vacuum chambers, according to an embodiment.

[0023] Fig. 4 shows the target layer of the imaging system, according to an embodiment.

[0024] Fig. 5 shows the target layer of the imaging system, according to an alternative embodiment.

[0025] Fig. 6 shows the electron beam of the imaging system, according to an embodiment.Detailed Description

[0026] IMAGING SYSTEM (X-RAY MICROSCOPE)

[0027] Fig. 1 schematically shows an imaging system 100, according to an embodiment. The imaging system 100 may include an electron beam source 150, a target layer 112, a support layer 114, and a radiation detector 120.

[0028] ELECTRON BEAM SOURCE

[0029] In an embodiment, the electron beam source 150 may generate an electron beam 152 toward the target layer 112. Examples of the electron beam source 150 at least may include a thermionic source and a field-emission source.

[0030] TARGET LAYER

[0031] In an embodiment, the target layer 112 may generate X-rays from an incident spot on the target layer 112 toward a sample 190 (positioned between the target layer 112 and the radiation detector 120) in response to the target layer 112 being hit by the electron beam 152 at the incident spot. In an embodiment, the target layer 112 may include platinum, a lanthanide, copper, iron, chrome, tungsten, or any combination thereof.

[0032] In an embodiment, the target layer 112 may be between the electron beam source 150 and the support layer 114 (as shown) .

[0033] SUPPORT LAYER

[0034] In an embodiment, the support layer 114 may dissipate heat from the target layer 112. In an embodiment, the support layer 114 may include a thermally conductive material.

[0035] In an embodiment, the support layer 114 may be between the target layer 112 and the radiation detector 120. Namely, the target layer 112 shields the support layer 114 from the electron beam 152.

[0036] In an embodiment, the support layer 114 may be in direct physical contact with the target layer 112. In an embodiment, the portions of the target layer 112 that are to receive the electron beam 152 may be in direct physical contact with the support layer 114. In other words, the portions of the target layer 112 that are to receive the electron beam 152 are directly supported by the support layer 114.

[0037] In an embodiment, the support layer 114 may not be opaque to the X-rays that are generated by the target layer 112 in response to the target layer 112 being hit by the electron beam 152. As a result, the X-rays generated as described above can go through the support layer 114 to reach the sample 190 and the radiation detector 120.

[0038] In an embodiment, the support layer 114 may include beryllium or diamond. As a result, the support layer 114 is both (A) thermally conductive to dissipate heat (if any) from the target layer 112, and (B) not opaque to the X-rays generated by the target layer 112 in response to the target layer 112 being hit by the electron beam 152.

[0039] In an embodiment, the chemical composition of the target layer 112 may be different from the chemical composition of the support layer 114. In other words, the target layer 112 and the support layer 114 have different chemical compositions.

[0040] RADIATION DETECTOR

[0041] In an embodiment, the radiation detector 120 may capture an image of the sample 190 based on the interaction between the sample 190 and the X-rays generated by the target layer 112 as described above.

[0042] The interaction between the X-rays and the sample 190 may include scenarios such as: (A) some radiation particles of the X-rays that are incident on the sample 190 are blocked by the sample 190, and (B) some radiation particles of the X-rays that are incident on the sample 190 travel through the sample 190 without changing their directions.

[0043] In an embodiment, the radiation detector 120 may be a photon counting detector. Specifically, in an embodiment, each sensing element of the radiation detector 120 may include a photon counter whose count is increased by 1 whenever the voltage of an electrode of said each sensing element (that represents the number of charge carriers accumulated in said each sensing element) exceeds a pre-specified threshold in magnitude.

[0044] In an embodiment, the support layer 114 may be between the target layer 112 and the sample 190. Namely, the X-rays generated by the target layer 112 go through the support layer 114 before reaching the sample 190.

[0045] In an embodiment, the sample 190 may be in direct physical contact with the support layer 114.

[0046] OPERATION OF IMAGING SYSTEM

[0047] In an embodiment, the operation of the imaging system 100 may be as follows.

[0048] In an embodiment, the electron beam 152 may be directed at a first incident spot 112s1 causing the target layer 112 to generate first X-rays (e.g., X-rays 112x1) from the first incident spot 112s1 toward the sample 190.

[0049] Then, in an embodiment, the radiation detector 120 may capture a first image of the sample 190 based on the interaction between the sample 190 and the first X-rays.

[0050] FLOWCHART GENERALIZING OPERATION OF IMAGING SYSTEM

[0051] Fig. 2 shows a flowchart 200 generalizing the operation of the imaging system 100 of Fig. 1, according to an embodiment.

[0052] In step 210, the operation may include directing the electron beam at a first incident spot on the target layer thereby generating first X-rays from the first incident spot toward the sample. For example, in the embodiments described above, with reference to Fig. 1, the electron beam 152 is directed at the first incident spot 112s1 thereby generating the first X-rays (e.g., the X-rays 112x1) from the first incident spot 112s1 toward the sample 190.

[0053] In step 220, the operation may include capturing with the radiation detector a first image of the sample based on an interaction between the sample and the first X-rays. For example, in the embodiments described above, with reference to Fig. 1, the radiation detector 120 captures the first image of the sample 190 based on the interaction between the sample 190 and the first X-rays.

[0054] OTHER EMBODIMENTS

[0055] MULTIPLE IMAGES AT DIFFERENT ANGLES FOR 3D RECONSTRUCTION

[0056] In an embodiment, with reference to Fig. 1, after the radiation detector 120 captures the first image of the sample 190, the electron beam 152 may be directed at a second incident spot 112s2 causing the target layer 112 to generate second X-rays (e.g., X-rays 112x2) from the second incident spot 112s2 toward the sample 190.

[0057] Then, in an embodiment, the radiation detector 120 may capture a second image of the sample 190 based on the interaction between the sample 190 and the second X-rays.

[0058] In an embodiment, a 3-dimensional image of the sample 190 may be reconstructed based on at least the first image and the second image of the sample 190.

[0059] VACUUM CHAMBERS

[0060] In an embodiment, with reference to Fig. 3, the imaging system 100 may include 2 vacuum chambers 310 and 320.

[0061] In an embodiment, the electron beam 152 may be in the vacuum chamber 310 (as shown) . In other words, each electron of the electron beam 152 is in the vacuum chamber 310. In yet other words, while each electron of the electron beam 152 travels from the electron beam source 150 to the target layer 112, said each electron is in the vacuum chamber 310.

[0062] In an embodiment, the vacuum in the vacuum chamber 310 may be high vacuum, meaning the mean free path (i.e., the distance traveled between collisions) of gas particles in the vacuum chamber 310 is greater than the dimension of the vacuum chamber 310) .

[0063] In an embodiment, the sample 190 may be in the vacuum chamber 320 (as shown) . The vacuum chamber 320 may be omitted if the sample 190 does not require a vacuum.

[0064] In an embodiment, the combination of the target layer 112 and the support layer 114 may serve as a wall of both the vacuum chamber 310 and the vacuum chamber 320 (as shown) .

[0065] TARGET LAYER IS NON-PLANAR

[0066] In an embodiment, with reference to Fig. 4, the target layer 112 may be non-planar. For example, in an embodiment, the target layer 112 may have the shape of a hemisphere (as  shown) . In an embodiment, the sample 190 may be at the center of the hemisphere (as shown) .

[0067] In general, the target layer 112 may have the shape of a portion of a sphere. In an embodiment, the sample 190 may be at the center of the sphere. The support layer 114 may but does not have to have the shape of a portion of a sphere.

[0068] TARGET LAYER INCLUDES PORTIONS IN RECESSES OF SUPPORT LAYER

[0069] In an embodiment, with reference to Fig. 5, instead of being one-piece layer as shown in Fig. 1, the target layer 112 may include discrete portions (e.g., discrete portions 112p1 and 112p2) respectively in recesses (e.g., recesses 114r1 and 114r2) of the support layer 114. These discrete portions of the target layer 112 may receive the electron beam 152 for creating the X-rays for imaging as described above.

[0070] INCIDENT SPOTS HAVE DIFFERENT SIZES

[0071] In an embodiment, with reference to Fig. 6, the maximum size 112s1M of the first incident spot 112s1 measured in a direction parallel to the surface of the target layer 112 at the first incident spot 112s1 may be different from the maximum size 112s2M of the second incident spot 112s2 measured in a direction parallel to the surface of the target layer 112 at the second incident spot 112s2.

[0072] While various aspects and embodiments have been disclosed herein, other aspects and embodiments will be apparent to those skilled in the art. The various aspects and embodiments disclosed herein are for purposes of illustration and are not intended to be limiting, with the true scope and spirit being indicated by the following claims.

Claims

1.A system, comprising:a target layer,a support layer, anda radiation detector;wherein the system is configured to generate an electron beam toward the target layer;wherein the target layer is configured to generate X-rays in response to the electron beam hitting the target layer;wherein the support layer is configured to dissipate heat from the target layer;wherein the support layer is not opaque to the X-rays;wherein the support layer and the target layer have different chemical compositions;wherein the support layer is between the target layer and the radiation detector;wherein the support layer is between the target layer and a sample; andwherein the radiation detector is configured to capture an image of the sample based on an interaction between the sample and the X-rays.2.The system of claim 1, wherein the electron beam is in high vacuum.3.The system of claim 1, wherein the electron beam is from an electron beam source, and wherein the target layer is between the electron beam source and the support layer.4.The system of claim 1, wherein the sample is in vacuum.5.The system of claim 1, further comprising a first vacuum chamber and a second vacuum chamber;wherein the electron beam is in the first vacuum chamber;wherein the sample is in the second vacuum chamber; andwherein a combination of the target layer and the support layer serves as a wall of both the first vacuum chamber and the second vacuum chamber.6.The system of claim 1, wherein the target layer comprises platinum, a lanthanide, copper, iron, chrome, tungsten, or a combination thereof.7.The system of claim 1,wherein the target layer has a shape of a portion of a sphere; andwherein the sample is at a center of the sphere.8.The system of claim 1, wherein the support layer is in direct physical contact with the target layer.9.The system of claim 1, wherein one or more portions of the target layer that are configured to receive the electron beam are in direct physical contact with the support layer.10.The system of claim 1, wherein the support layer comprises beryllium or diamond.11.The system of claim 1, wherein the sample is in direct physical contact with the support layer.12.The system of claim 1, wherein the radiation detector is a photon counting detector.13.The system of claim 1, wherein one or more discrete portions of the target layer are respectively in one or more recesses in the support layer.14.A method of using the system of one of claims 1-13, the method comprising:directing the electron beam at a first incident spot on the target layer thereby generating first X-rays from the first incident spot toward the sample; andcapturing with the radiation detector a first image of the sample based on an interaction between the sample and the first X-rays.15.The method of claim 14, further comprising:after said capturing the first image, directing the electron beam at a second incident spot on the target layer thereby generating second X-rays from the second incident spot toward the sample; andcapturing with the radiation detector a second image of the sample based on an interaction between the sample and the second X-rays.16.The method of claim 15, further comprising reconstructing a 3-dimensional image of the sample based on at least the first image and the second image.17.The method of claim 15, wherein a maximum size of the first incident spot measured in a direction parallel to a surface of the target layer at the first incident spot is different from a maximum size of the second incident spot measured in a direction parallel to a surface of the target layer at the second incident spot.

Images