一种软X射线显微成像装置论文和设计-郑睿

全文摘要

本申请提供一种软X射线显微成像装置，包括软X射线光源、三维位移机构、真空单元、激光单元、反射单元、样本室和探测器，软X射线光源包括真空靶室、制冷腔和喷嘴，制冷腔和喷嘴容置于真空靶室内，真空靶室具有相对的两个出口，喷嘴设置于制冷腔上，真空单元包括第一真空泵和第二真空泵，第一真空泵和第二真空泵分别与真空靶室的两个出口连接；脉冲激光发生器发出的激光经过激光聚焦镜后聚焦于喷嘴处；反射单元具有第二反射镜，反射单元与真空靶室连通；样本室与真空靶室连通，样本室内容置毛细玻璃管，毛细玻璃管的位置与喷嘴以及反射镜的焦点对应；探测器与样本室连接并与毛细玻璃管的位置对应。本申请探测精确、效率高、节约成本。

主设计要求

1.一种软X射线显微成像装置，其特征在于，所述软X射线显微成像装置包括：软X射线光源，所述软X射线光源包括真空靶室、制冷腔和喷嘴，所述制冷腔和所述喷嘴容置于所述真空靶室内，所述真空靶室具有相对的两个出口，所述喷嘴设置于所述制冷腔上，真空单元，所述真空单元包括第一真空泵和第二真空泵，所述第一真空泵和所述第二真空泵分别与所述真空靶室的两个出口连接；激光单元，所述激光单元包括脉冲激光发生器以及激光聚焦镜，所述脉冲激光发生器发出的激光经过所述激光聚焦镜后聚焦于所述喷嘴处；反射单元，所述反射单元具有第二反射镜，所述反射单元与所述真空靶室连通；样本室，所述样本室与所述真空靶室连通，所述样本室内容置毛细玻璃管，所述毛细玻璃管的位置与所述喷嘴以及所述反射镜的焦点对应；以及探测器，所述探测器与所述样本室连接并与所述毛细玻璃管的位置对应。

设计方案

1.一种软X射线显微成像装置，其特征在于，所述软X射线显微成像装置包括：

软X射线光源，所述软X射线光源包括真空靶室、制冷腔和喷嘴，所述制冷腔和所述喷嘴容置于所述真空靶室内，所述真空靶室具有相对的两个出口，所述喷嘴设置于所述制冷腔上，

真空单元，所述真空单元包括第一真空泵和第二真空泵，所述第一真空泵和所述第二真空泵分别与所述真空靶室的两个出口连接；

激光单元，所述激光单元包括脉冲激光发生器以及激光聚焦镜，所述脉冲激光发生器发出的激光经过所述激光聚焦镜后聚焦于所述喷嘴处；

反射单元，所述反射单元具有第二反射镜，所述反射单元与所述真空靶室连通；

样本室，所述样本室与所述真空靶室连通，所述样本室内容置毛细玻璃管，所述毛细玻璃管的位置与所述喷嘴以及所述反射镜的焦点对应；以及

探测器，所述探测器与所述样本室连接并与所述毛细玻璃管的位置对应。

2.根据权利要求1所述的软X射线显微成像装置，其特征在于，所述软X射线显微成像装置还包括三维位移机构，所述三维位移机构分别与所述制冷腔和所述真空靶室连接。

3.根据权利要求2所述的软X射线显微成像装置，其特征在于，所述三维位移机构包括支撑板、第一位移调节器、第二位移调节器以及第三位移调节器，所述第一位移调节器、第二位移调节器以及第三位移调节器均设置于所述支撑板与所述真空靶室之间并分别控制所述支撑板沿相互垂直的三个方向移动。

4.根据权利要求1所述的软X射线显微成像装置，其特征在于，所述真空靶室包括：

三通管，所述三通管具有相对的第一出口和第二出口以及位于所述第一出口和所述第二出口之间的第三出口，所述第一出口与支撑板连接，制冷剂入口管道、制冷剂出口管道以及工作气体管道分别穿过所述支撑板并与所述制冷腔连接，所述第三出口与所述第一真空泵连接；以及

多通管，所述多通管包括相对的顶部开口和底部开口以及位于所述顶部开口与所述底部开口之间的若干个侧面开口，所述顶部开口与所述第二出口紧密连接，所述底部开口处设置有与所述第二真空泵连接的真空出口，所述喷嘴的位置与所述侧面开口对应，所述喷嘴下方设置有凹槽，所述凹槽通过转接头固定，所述转接头设置于所述真空出口处，所述凹槽与所述真空出口连通。

5.根据权利要求1所述的软X射线显微成像装置，其特征在于，所述真空单元还包括真空控制器，所述真空控制器分别与所述第一真空泵和所述第二真空泵连接。

6.根据权利要求1所述的软X射线显微成像装置，其特征在于，所述激光单元还包括第一反射镜，所述第一反射镜设置于所述脉冲激光发生器和所述激光聚焦镜之间以传导激光光路。

7.根据权利要求6所述的软X射线显微成像装置，其特征在于，所述脉冲激光发生器下方设置有升降台，所述第一反射镜下方设置有第一调节器，所述激光聚焦镜下方设置有第二调节器。

8.根据权利要求1所述的软X射线显微成像装置，其特征在于，所述反射单元包括第三支架、第三螺纹杆以及盲板，所述第三螺纹杆设置于所述第三支架上，所述盲板设置于所述第三螺纹杆上，所述第二反射镜安装于所述盲板上。

9.根据权利要求8所述的软X射线显微成像装置，其特征在于，所述第三螺纹杆上设置有与所述第三螺纹杆配合的多个第三螺栓，所述第三螺栓分别位于所述盲板的两侧。

10.根据权利要求1所述的软X射线显微成像装置，其特征在于，所述样本室包括样本室外壳，所述样本室外壳的相对的两个侧壁分别与所述真空靶室和所述探测器连接，所述样本室内设置有毛细玻璃管和光阑管，所述光阑管内具有沿轴线方向延伸的光阑孔，所述光阑孔的一端对应所述毛细玻璃管，所述光阑孔的另一端对应所述探测器，所述喷嘴、所述第二反射镜的焦点、所述毛细玻璃管的顶端以及所述光阑孔位于同一条水平线上。

11.根据权利要求10所述的软X射线显微成像装置，其特征在于，所述光阑管和所述毛细玻璃管之间还设置有棱台，所述棱台中具有棱台孔，所述棱台孔的延伸方向与所述光阑孔的延伸方向一致，所述棱台孔靠近所述毛细玻璃管的一端处设置有波带片。

12.根据权利要求11所述的软X射线显微成像装置，其特征在于，所述棱台设置于三维电位移台上，所述三维电位移台与设置于所述样本室外壳上的航空插头连接。

13.根据权利要求11所述的软X射线显微成像装置，其特征在于，所述毛细玻璃管设置于样本旋转台上，所述样本旋转台设置于样本二维调节平台上。

14.根据权利要求1所述的软X射线显微成像装置，其特征在于，所述探测器包括闪烁晶体和硅光电倍增管，所述闪烁晶体与所述样本室对应，所述硅光电倍增管与所述闪烁晶体耦合。

15.根据权利要求1所述的软X射线显微成像装置，其特征在于，所述探测器下方设置有三维位移台。

设计说明书

技术领域

本申请涉及软X射线领域，更具体地涉及一种软X射线显微成像装置。

背景技术

X射线是一种波长很短的电磁辐射，其波长约为0.01～100埃米，介于紫外线和γ射线之间，具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质。波长越短的X射线能量越大，也称之为硬X射线，波长长的X射线能量较低，被称为软X射线。通常，波长小于0.1埃米的称超硬X射线，波长在0.1～10埃米范围内的称硬X射线，波长在10～100埃米范围内的称软 X射线。

近年来，软X射线在很多科学领域得到了广泛的应用，特别是在软X 射线显微成像与软X射线投影光刻技术等领域中。在软X射线显微成像领域中，软X射线显微成像仪器采用水窗波段(波长介于2.3nm-4.4nm之间) 的软X射线进行成像，能够直接对自然含水状态下的活性生物样本进行纳米尺度的三维成像，是观测细胞内真实三维超微结构的关键工具，对细胞结构学和功能学研究具有极其重要的意义。

现有技术中的软X射线显微成像仪器包括同步辐射软X射线显微仪器和小型软X射线显微仪器，其中，同步辐射软X射线显微仪器中的同步辐射光源必须由大型加速器产生，在光源获得性方面受到巨大制约，极大地限制了仪器的应用普及；对于采用液体靶的小型软X射线显微仪器中，采用软 X射线相机来进行软X射线的探测，然而，软X射线相机的增益相对较低，在放大倍数较大时由于单位面积的光子数大幅减少，导致探测效果较差，在低能射线测量中存在能量分辨率低、曝光时间长等问题，这些问题极大的影响了仪器的性能和使用寿命。另外，软X射线显微仪器对于光路的精确度要求极高，光路的精确度会直接影响到成像质量，现有技术中的仪器在调节光路时比较繁琐，使用的调节方案和装置成本较高，导致成像速度根本无法满足细胞超微结构的快速三维成像需求，极大地限制了仪器的应用普及。

发明内容

本申请的目的是提供一种软X射线显微成像装置，从而解决现有技术中软X射线显微成像仪器的探测效率低且成本高昂的问题。

为了解决上述技术问题，本申请的技术方案是提供一种软X射线显微成像装置，所述软X射线显微成像装置包括：

真空单元，所述真空单元包括第一真空泵和第二真空泵，所述第一真空泵和所述第二真空泵分别与所述真空靶室的两个出口连接；

激光单元，所述激光单元包括脉冲激光发生器以及激光聚焦镜，所述脉冲激光发生器发出的激光经过所述激光聚焦镜后聚焦于所述喷嘴处；

反射单元，所述反射单元具有第二反射镜，所述反射单元与所述真空靶室连通；

样本室，所述样本室与所述真空靶室连通，所述样本室内容置毛细玻璃管，所述毛细玻璃管的位置与所述喷嘴以及所述反射镜的焦点对应；以及

探测器，所述探测器与所述样本室连接并与所述毛细玻璃管的位置对应。

根据本申请的一个实施例，所述软X射线显微成像装置还包括三维位移机构，所述三维位移机构分别与所述制冷腔和所述真空靶室连接。

根据本申请的一个实施例，所述三维位移机构包括第一位移调节器、第二位移调节器以及第三位移调节器，所述第一位移调节器、第二位移调节器以及第三位移调节器均设置于所述支撑板与所述真空靶室之间并分别控制所述支撑板沿相互垂直的三个方向移动。

根据本申请的一个实施例，所述真空靶室包括：三通管，所述三通管具有相对的第一出口和第二出口以及位于所述第一出口和所述第二出口之间的第三出口，所述第一出口与支撑板连接，制冷剂入口管道、制冷剂出口管道以及工作气体管道分别穿过所述支撑板并与所述制冷腔连接，所述第三出口与所述第一真空泵连接；以及多通管，所述多通管包括相对的顶部开口和底部开口以及位于所述顶部开口与所述底部开口之间的若干个侧面开口，所述顶部开口与所述第二出口紧密连接，所述底部开口处设置有与所述第二真空泵连接的真空出口，所述喷嘴的位置与所述侧面开口对应，所述喷嘴下方设置有凹槽，所述凹槽通过转接头固定，所述转接头设置于所述真空出口处，所述凹槽与所述真空出口连通。

根据本申请的一个实施例，所述真空单元还包括真空控制器，所述真空控制器分别与所述第一真空泵和所述第二真空泵连接。

根据本申请的一个实施例，所述激光单元还包括第一反射镜，所述第一反射镜设置于所述脉冲激光发生器和所述激光聚焦镜之间以传导激光光路。

根据本申请的一个实施例，所述脉冲激光器下方设置有升降台，所述第一反射镜下方设置有第一调节器，所述激光聚焦镜下方设置有第二调节器。

根据本申请的一个实施例，所述反射单元包括第三支架、第三螺纹杆以及盲板，所述第三螺纹杆设置于所述第三支架上，所述盲板设置于所述第三螺纹杆上，所述第二反射镜安装于所述盲板上。

根据本申请的一个实施例，所述第三螺纹杆上设置有与所述第三螺纹杆配合的多个第三螺栓，所述第三螺栓分别位于所述盲板的两侧。

根据本申请的一个实施例，所述样本室包括样本室外壳，所述样本室外壳的相对的两个侧壁分别与所述真空靶室和所述探测器连接，所述样本室内设置有毛细玻璃管和光阑管，所述光阑管内具有沿轴线方向延伸的光阑孔，所述光阑孔的一端对应所述毛细玻璃管，所述光阑孔的另一端对应所述探测器，所述喷嘴、所述第二反射镜的焦点、所述毛细玻璃管的顶端以及所述光阑孔位于同一条水平线上。

根据本申请的一个实施例，所述光阑管和所述毛细玻璃管之间还设置有棱台，所述棱台中具有棱台孔，所述棱台孔的延伸方向与所述光阑孔的延伸方向一致，所述棱台孔靠近所述毛细玻璃管的一端处设置有波带片。

根据本申请的一个实施例，所述棱台设置于三维电位移台上，所述三维电位移台与设置于所述样本室外壳上的航空插头连接。

根据本申请的一个实施例，所述毛细玻璃管设置于样本旋转台上，所述样本旋转台设置于样本二维调节平台上。

根据本申请的一个实施例，所述探测器包括闪烁晶体和硅光电倍增管，所述闪烁晶体与所述样本室对应，所述硅光电倍增管与所述闪烁晶体耦合。

根据本申请的一个实施例，所述探测器下方设置有三维位移台。

本申请提供的软X射线显微成像装置，极大的提高了其对弱光信号的探测效率，降低了成像曝光时间，能够实现更高的放大倍数。本申请中的软X 射线光源采用可调节的三维位移机构，实现了在真空中对液体微流位置和角度的调节，提高了软X射线光路的几何精准度，方便了光路调节。本申请中采用多轴调节的反射单元，可以在真空中对第二反射镜的几何位置和俯仰角进行调节，实现了光路的优化。本申请中的真空系统可以通过预抽、全抽以及金属锥台等设计实现真空腔内常压至真空的精确控制。本申请中使用的软 X射线光源具有低碎屑、高转化率的优势，提高了光源的强度，降低了对光路中光学元件的损害，能够提高仪器的寿命。总之，本申请提供的软X射线显微成像装置，能够以较低成本达到纳米级成像分辨率、秒级二维成像时间，可广泛应用于生命科学、医药研发领域中纳米尺度快速三维显微成像中，对于功能细胞的结构和代谢、微生物致病机理等研究领域具有示范作用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本申请的一个实施例的软X射线显微成像装置的立体示意图；

图2是根据图1的软X射线显微成像装置的背面的平面示意图；

图3是根据图1的软X射线显微成像装置的俯视示意图；

图4是根据图1的软X射线显微成像装置的软X射线光源的立体示意图；

图5是根据图4的软X射线光源的局部放大的立体示意图，其中示出了三维位移机构；

图6是根据图4的软X射线光源的局部剖切的立体示意图，其中示出了制冷腔和真空靶室；

图7是根据图4的软X射线光源的剖面示意图，其中仅示出了上半部分；

图8是根据图4的软X射线光源的剖面示意图，其中仅示出了下半部分；

图9是根据图8的软X射线光源的局部放大的立体示意图，其中示出了喷嘴和加热机构；

图10是根据图1的软X射线显微成像装置的反射单元的立体示意图；

图11是根据图10的软X射线显微成像装置的反射单元的剖切的立体示意图；

图12是根据图1的软X射线显微成像装置的样本室内部的立体示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本申请做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本申请而非用于限制本申请的范围。

需要说明的是，当部件\/零件被称为“设置在”另一个部件\/零件上，它可以直接设置在另一个部件\/零件上或者也可以存在居中的部件\/零件。当部件\/零件被称为“连接\/联接”至另一个部件\/零件，它可以是直接连接\/联接至另一个部件\/零件或者可能同时存在居中部件\/零件。本文所使用的术语“连接\/联接”可以包括电气和\/或机械物理连接\/联接。本文所使用的术语“包括\/ 包含”指特征、步骤或部件\/零件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、步骤或部件\/零件的存在或添加。本文所使用的术语“和\/或”包括一个或多个相关所列项目的任意的和所有的组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，而并不是旨在限制本申请。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1是根据本申请的一个实施例的软X射线显微成像装置的立体示意图，图2是根据图1的软X射线显微成像装置的背面的平面示意图，图3 是根据图1的软X射线显微成像装置的俯视示意图，由图1结合图2和图3 可知，本申请提供的软X射线显微成像装置包括软X射线光源300、真空单元400、激光单元500、反射单元600、样本室700以及探测器800，其中，X射线光源300、激光单元500、反射单元600、样本室700以及探测器800 均设置于第一操作平台100上，真空单元400设置于第二操作平台200上，软X射线光源300具有三维位移调节机构、三通管40和多通管50，三维位移调节机构设置于三通管40上，三通管40和多通管50相互连接；真空单元400包括真空控制器410、第一真空泵420和第二真空泵430，真空控制器410分别与第一真空泵420和第二真空泵430连接并控制二者的运转，第一真空泵420通过直角弯管431与三通管40的其中一个出口连接，第二真空泵430通过真空管道与多通管50下方设置的真空排气口432连接；激光单元500包括脉冲激光发生器501、第一反射镜510以及激光聚焦镜520，脉冲激光发生器501底部设置有可调节高度和方向的升降台502，第一反射镜510底部设置有可调节高度和角度的第一调节器511，激光聚焦镜520底部设置有可调节高度和角度的第二调节器521，经过升降台502、第一调节器511和第二调节器521的调节，可以使得脉冲激光发生器501发出的激光经过第一反射镜510的反射射向激光聚焦镜520(如图3中箭头所示)，进一步通过激光聚焦镜520聚焦于软X射线光源300内的液体微流上，使得液体微流等离子体化并产生软X射线；反射单元600与多通管50侧面的其中一个出口连接，反射单元600中设置有第二反射镜611(图11)以使得软X射线聚焦反射向样本室700；样本室700与反射单元600关于多通管50相对布置，样本室700的通过一个出口与多通管50上对应的出口连接，样本室内设置有样本，经过调节后的软X射线可以直接射在样本上，穿过样本的X 射线继续向前到达探测器800并被探测器800探测到；探测器800通过管道 780、870与样本室700另一侧的开口连接，探测器800与软X射线的光路处于同一水平线上，探测器800的底部设置有三维位移台810，通过三维位移台810可以调节探测器800的位置；探测器800包括闪烁晶体以及与闪烁晶体耦合的SiPM(硅光电倍增管)，其中闪烁晶体用于将接收到的软X射线转换为可见光，SiPM将可见光转换为电信号并输出，输出的电信号进一步通过数据处理形成对应的图像。

下面将结合图4-图12详细介绍本申请提供的软X射线显微成像装置的各个部分。

图4是根据本申请的一个实施例的软X射线光源300的立体示意图，由图4可知，本申请提供的软X射线光源300包括三维位移机构、真空靶室、制冷机构和光源产生机构，下面结合附图进行零部件的详细描述。

在图4中，三维位移机构包括支撑板10、第一波纹管60、第一法兰盘 30、第一位移调节器70、第二位移调节器80以及第三位移调节器14，其中，支撑板10呈板状；第一波纹管60呈筒状并可以实现沿其轴向伸缩，第一波纹管60的顶部密封设置于支撑板10的下板面上，第一波纹管60的底部与第一法兰盘30紧密连接，支撑板10、第一波纹管60以及第一法兰盘30形成密闭的大致筒状的空间；定义该筒状空间的竖向中心线(即图中纸面的竖向)为Z轴方向，定义与Z轴方向垂直的平面中两个相互互相垂直的方向为 X轴和Y轴方向；第一法兰盘30上设置有若干个沿Z轴方向延伸的第一螺杆24，第一螺杆24的顶部固定设置有环形的第三支撑板23，第三支撑板23 上设置有第一位移调节器70；第二支撑板22与第三支撑板23形状相同且相互平行设置，第二支撑板22位于第三支撑板23上方且通过第一位移调节器70与第三支撑板23连接，第二支撑板22上设置有第二位移调节器80；第一支撑板21与第二支撑板22形状相同且相互平行设置，第一支撑板21位于第二支撑板22上方且通过第二位移调节器80与第二支撑板22连接；第一支撑板21、第二支撑板22以及第三支撑板23大致层叠布置且具有相同大小的通孔，第一波纹管60容置于这些通孔中；第一支撑板21上设置若干个 (通常为三个)沿Z轴方向延伸的第二螺杆15，支撑板10通过调节螺母14 固定于第二螺杆15上，此时调节螺母14即形成为第三位移调节器，第三位移调节器14可以沿Z轴方向调节支撑板10的位置；支撑板10上还设置有工作气体管道11、制冷剂出口管道12以及制冷剂入口管道13，工作气体管道11、制冷剂出口管道12以及制冷剂入口管道13自外穿过支撑板10并插入第一波纹管60内部。

进一步地，在图4中，真空靶室包括三通管40以及多通管50，三通管 40具有三个出口：顶部出口、底部出口和侧面出口，顶部出口和底部出口之间形成沿Z轴方向延伸的筒状空间，侧面出口与该筒状空间连通；顶部出口处设置有第二法兰盘41，侧面出口处设置有第三法兰盘42，底部出口处设置有第四法兰盘43；第一法兰盘30与第二法兰盘41通过垫片和螺栓紧密连接；多通管50具有上开口、下开口以及若干个侧面开口，上开口和下开口之间形成沿Z轴方向延伸的筒状空间，侧面开口与该筒状空间连通，同时，上开口处形成有第五法兰盘51，下开口处形成有第六法兰盘53，侧面开口处可以设置有对应的法兰盘52、54等，第五法兰盘51与第四法兰盘43通过垫片核螺栓紧密连接；第六法兰盘53中部设置有真空排气口511。本领域技术人员需要注意的是，虽然第一法兰盘30与第二法兰盘41紧密连接，但是第一法兰盘30上侧的第一波纹管60内的筒状空间与第二法兰盘41下侧的三通管40内的筒状空间是不相连通的；虽然第四法兰盘43与第五法兰盘 51紧密连接，但是第四法兰盘43上侧的三通管40内的筒状空间与第五法兰盘51下侧的多通管50内的筒状空间是相连通的。多通管50侧面处的多个侧面开口处可以根据需要相应的设置CCD固定器55、CCD转接器56；激光防护罩57、观察窗58、59等，其为本领域技术人员常用的设置手段，在此不再赘述。

更进一步地，图5是根据图4的软X射线光源的局部放大的立体示意图，由图5可知，第一法兰盘30与第二法兰盘41上靠近圆周处设置有均匀分布的螺栓孔，通过在螺栓孔内插入紧固螺栓实现第一法兰盘30与第二法兰盘 41的紧密连接；第一法兰盘30通过若干个第一螺杆24与第三支撑板23固定连接，使得二者之间不可相对运动；第一位移调节器70包括第一支架71、第一推进器72、第一导轨73以及第一导轨槽74(图7)，其中，第一支架 71呈L形，第一支架71的一端固定于第三支撑板23上，第一支架71的另一端向上凸起并与第三支撑板23所在的平面垂直；第一推进器72沿着X轴方向设置于第一支架71的另一端上并与第二支撑板22对齐，使得第一推进器72的运动可以推动第二支撑板22运动；两个第一导轨73设置于第三支撑板23的上表面且沿X轴向延伸，两个第一导轨73关于波纹管60对称布置且相互平行，第二支撑板22的下表面上设置有与第一导轨73配合的第一导轨槽74(图7)，第一导轨73容置于第一导轨槽74中且可以沿着第一导轨槽74滑动，当第一推进器72运动时，第二支撑板22沿着第一导轨73在 X轴方向滑动；第二位移调节器80包括第二支架81、第二推进器82、第二导轨83以及第二导轨槽，其中，第二支架81呈L形，第二支架81的一端固定于第二支撑板22上，第二支架81的另一端向上凸起并与第一支撑板21 所在的平面垂直；第二推进器82沿着Y轴方向设置于第二支架81的另一端上并与第一支撑板21对齐，使得第二推进器82的运动可以推动第一支撑板 21运动；两个第二导轨83设置于第二支撑板22的上表面且沿Y轴向延伸，两个第二导轨83关于波纹管60对称布置且相互平行，第一支撑板21的下表面上设置有与第二导轨83配合的第二导轨槽，第二导轨83容置于第二导轨槽中且可以沿着第二导轨槽滑动，当第二推进器82运动时，第一支撑板 21沿着第二导轨83在Y轴方向滑动；由于波纹管60呈筒状并可以实现沿轴向伸缩，波纹管60的顶部密封设置于支撑板10的下板面上，支撑板10 通过调节螺母14固定于第二螺杆15上，因此，当分别调节第一推进器71 和第二推进器82时，支撑板10也会相应的沿着X轴方向、Y轴方向运动；当调节第三位移调节器14时，支撑板10相应的沿Z轴方向运动。

进一步地，图6是根据图4的软X射线光源的局部剖切的立体示意图，图7是根据图4的软X射线光源的剖面示意图，图8是根据图4的软X射线光源的剖面示意图，由图7、图8结合图6可知，支撑板10上还设置有工作气体管道11、制冷剂出口管道12以及制冷剂入口管道13，工作气体管道 11、制冷剂出口管道12以及制冷剂入口管道13自外穿过支撑板10并插入波纹管60内部。制冷机构包括制冷腔44、制冷剂入口管道13以及制冷剂出口管道12，其中，制冷腔44形成为筒状且容置于真空靶室中，具体地，制冷腔44自三通管40的内部延伸入多通管50的内部，制冷剂入口管道13以及制冷剂出口管道12分别自支撑板10的顶端穿过波纹管60内部、第一法兰盘30和第二法兰盘41而与制冷腔44的顶部连通固定，使得制冷剂可以自制冷剂入口管道13输送入制冷腔44内以降低制冷腔44内的温度，制冷腔44内生成的气体经由制冷剂出口管道12排出制冷腔44；工作气体管道 11自支撑板10的顶端穿过波纹管60内部、第一法兰盘30、第二法兰盘41 以及制冷腔44，工作气体管道11穿出制冷腔44后与喷嘴连接，工作气体管道11的中部形成一个横截面积增大的冷凝腔111，冷凝腔111的至少一部分位于制冷腔44内，需要注意的是，工作气体管道11的内部与制冷腔44的内部不相连通，工作气体(比如氮气)经过工作气体管道11向喷嘴输送，并在此过程中被液化，经由喷嘴流出时工作气体的状态已经变成液化状态，工作气体中的水分在经过冷凝腔11时被冷凝，使得继续前进的工作气体保持其纯度以防止喷嘴阻塞。

图9是根据图8的软X射线光源的局部放大的立体示意图，由图9结合图6可知，光源产生机构包括喷嘴36，喷嘴36设置于制冷腔44下方并且通过转接件35固定于制冷腔44下方，喷嘴36与工作气体管道11连通以使得经过冷凝变为液体的工作气体从喷嘴36处流出；转接件35通常采用金属转接件以使得温度传递更加迅速准确；转接件35的外围设置有温度传感器31 以便于实时监控喷嘴36周围的温度变化情况，温度传感器31通过设置在支撑板10顶部的其中一个插头17与外部装置连接。制冷腔44的下方还设置有连接片32，连接片32上设置有电阻丝支架33，电阻丝支架33上设置有电阻丝34，其中一部分电阻丝呈螺旋形包裹在喷嘴36的侧面，电阻丝34 通过导线与设置在支撑板10顶部的另外一个插头17连接以方便为电阻丝供电。电阻丝34的加热可以抵消由于制冷剂液体蒸发、冷凝而导致的温度降低，同时不会破坏低温液体周围环境的高真空，使得微液流的稳定性进一步提升，同时当喷嘴36被冷凝阻塞的时候可通过电阻丝34加热进行疏通。喷嘴36的下方还设置有金属锥台37，通常设置于在喷嘴36下方15mm处，金属锥台37的顶部设置有向金属锥台37内部中空的凹槽，该凹槽用于接收从喷嘴36流出的残余的液体。该金属锥台37的设计能更好地将由于蒸发对真空度影响较大的残余的液体及时抽走，减少软X射线的消耗。金属锥台 37的下方进一步通过金属转接头513以及金属接头512与真空排气口511 连接，使得通过真空排气口511可以将上述残余的液体抽出。需要注意的是，金属转接头513上还设置有沿Z轴方向延伸的导热杆38，导热杆38与制冷腔44连接以通过热传递使得金属转接头513、金属锥台37的温度与喷嘴36 处的温度相当，从而保证残余的液体不会因为温度变化而转化状态，使真空靶室内的真空度降低，影响软X射线的亮度。或者金属转接头513上还设置有沿Z轴方向延伸的导热管38，导热管管38与制冷腔44连接以使得制冷腔44内的制冷剂可以输送至金属转接头513、金属锥台37，使其温度与制冷腔44内的温度相当，从而防止低温液体微流在流动的过程中进一步气化使真空度降低，造成软X射线的消耗。

由于喷嘴36固定于制冷腔44上，制冷腔44通过制冷剂入口管道13、制冷剂出口管道12和工作气体管道11固定于支撑板10上，因此，通过第一位移调节器70、第二位移调节器80以及第三位移调节器14可以实现喷嘴 36的几何位置的多轴可调，可实现在光源工作时调节真空靶室中喷嘴在X、 Y、Z轴三个方向的，从而控制液体微流的位置，最终达到调节软X射线光源位置的目的。

图10是根据图1的软X射线显微成像装置的反射单元600的立体示意图，由图10可知，反射单元600包括两个第三支架601、三根第三螺纹杆 603、盲板604以及第二波纹管606，其中，两个第三支架601平行排列且分别通过L型支架602固定于第一操作平台100上，第三支架601上设置有若干个螺栓孔，第三螺纹杆603沿着大致水平的方向固定于第三支架601上对应的螺栓孔内，每一个第三支架601上的螺栓孔之间的连线形成三角形，从而使得第三螺纹杆603以及安装于第三螺纹杆603上的部件均比较稳定；盲板604位于两个第三支架601之间且套设于第三螺纹杆603上，盲板604的两侧通过与第三螺纹杆603配合的第三螺栓608进行固定；第三螺纹杆603 的末端还设置有反射法兰盘607，反射法兰盘607与盲板604之间通过敌人波纹管606连接，盲板604、反射法兰盘607以及盲板604的轴心均位于同一轴线上，该轴线与真空靶室内的喷嘴处的液体微流相对应；反射法兰盘607 通过第四螺栓609与三通管50侧面的法兰盘52对应连接，反射法兰盘607 中间的通孔610使得第二波纹管606与真空靶室内部连通。

图11是根据图10的软X射线显微成像装置的反射单元的剖切的立体示意图，由图11可知，盲板604中还设置有面向软X射线光源的第二反射镜 605，第二反射镜605将收集到的软X射线聚焦反射，焦点落在样本室700 内的样本处。由于第二反射镜605固定于盲板604上，调节第三螺栓608时，第二反射镜605将随盲板604一同运动，可以实现第二反射镜605的二维移动，通过不同第三螺纹杆603上的第三螺栓608的位置调节可以确定空间中第二反射镜605所在平面，进而微调反射镜605与各轴的夹角，实现真空中第二反射镜605俯仰角的微调。第三螺栓608同时承受腔外压力。

图12是根据图1的软X射线显微成像装置的样本室700内部的立体示意图，由图12可知，样本室700包括样本室外壳701，样本室外壳701相对的两个侧壁上分别设置有中空的法兰盘702、750，法兰盘702与多通管50 侧面的一个法兰盘54连接以使得真空靶室与样本室连通，进一步使得真空靶室内产生的软X射线可以经由第二反射镜605的反射聚焦而进入样本室 700内；法兰盘750与管道780连接；样本室700内设置有样本底板704，样本底板704上设置三维电位移台，三维电位移台包括层别布置的第一滑板 705、第二滑板706以及第三滑板707，各个滑板之间滑动配合；第三滑板 707上设置有第一载物台708，第一载物台708的侧壁上设置有中空的棱台 709，棱台709内部为中空的且中空的孔一直穿过棱台709，该中空的孔的轴线位于水平面内且与第二反射镜605的轴线基本相同，靠近样本一侧的中空的孔处设置有波带片；样本底板704上还设置有样本二维调节平台710，样本二维调节平台710上设置有样本旋转台711，样本旋转台711上设置样本锥712，样本锥712上放置毛细玻璃管713，毛细玻璃管713内装载待成像的细胞样本，样本二维调节平台710可以配合样本旋转台711调节毛细玻璃管713的位置，使得毛细玻璃管713的上部与棱台709的中空的孔对应；管道780内设置有光阑管714，光阑管714自管道780内穿过法兰盘750深入样本室700内，光阑管714中设置有沿光阑管714的轴线方向延伸的光阑孔 715，光阑孔715与棱台709上中空的孔对应，使得射入细胞样本后的软X 射线可以继续沿着棱台709内中空的孔以及光阑孔715到达探测器800。此外，样本室700的侧壁上还设置有多个(比如四个)航空插头770，该航空插头分别与三维电位移台、样本二维条件平台710和样本旋转台711连接以控制位移。样本室700的侧壁上还设置有氮气接口771(图3)以便于工作结束后在装置内部注入氮气进行保护。

本领域技术人员需要注意的是，样本室700内装载细胞样本的毛细玻璃管713和装有波带片的中空棱台709以及光阑孔715是装置运行时光路经过的位置，其与第二反射镜605的轴线基本保持在同一条水平线上。

另外，本申请提供的软X射线显微成像装置还包括制冷剂存储器，制冷剂存储器通过传输管与制冷剂入口管道13连接，传输管上设置有低温电磁阀以自动控制制冷剂的输入量并维持制冷腔内的压强稳定；该软X射线显微成像装置进一步还包括分子真空泵，分子真空泵通过真空传输管与制冷剂出口管道12连接，真空传输管上设置有高温缓冲腔，高温缓冲腔处设置加热器，高温缓冲腔和分子真空泵之间还设置有真空电磁阀，通过高温缓冲腔和加热器对抽出的低温制冷剂加热，防止温度过低的制冷剂损坏真空电磁阀和分子真空泵，真空电磁阀可以设置真空度阈值，制冷腔内压强过低时闭合，制冷腔内压强过高时打开，从而实现制冷腔内温度的控制。通过分子真空泵使得制冷腔44内部的制冷剂循环更替，使得喷嘴处能够实现更低的制冷温度，精确可调，制冷效率更高，能将某些液化点很低的气体(如氮气)液化，并获得更稳定的喷射与更长的喷射距离，使得软X射线光源的稳定性更强，同时也适用于更多种类的气体靶材。

多通管50的侧面上还设置有真空计接口510，真空计通过真空计接口 510与多通管50连接以测量多通管50内部的真空度。为了维持多通管50 以及三通管40内的真空度，三通管40上的第三法兰盘42处和多通管50底部的真空排气口511处分别连接第一真空泵420和第二真空泵430，由于抽真空的出气口分别位于真空靶室的上下两端，使得真空靶室内的真空度能够维持在很高的水平。

本申请提供的软X射线显微成像装置在工作时，高能激光脉冲器501 产生激光并经过第一反射镜510的反射以及激光聚焦透镜520的聚焦后作用于喷嘴36处的液体微流上，从而使得液体微流等离子体化并产生软X射线，装载在盲板24上的第二反射镜605将收集到的软X射线聚焦反射，焦点落在样本室700内的毛细玻璃管713尖端的细胞样本处，通过细胞样本的软X 射线继续传递通过波带片再经光阑孔715传递，穿过管道780、870后最终照射到探测器800上，最终将采集的电信号传递到电脑上进行后续处理。

本领域技术人员需要注意的是，本申请技术方案中所提到的第一位移调节器和第二位移调节器可以采用微分头，第三位移调节器可以采用其它步进装置进行替换，即凡是能够实现微米精度手动、自动调节直线位移的调节机构，比如电动位移台，均落入本申请的保护范围。本领域技术人员还需要注意的是，本申请中采用的三维位移台、三维位移机构、第一调节器511、第二调节器521、三维电位移台等位移装置均可以根据需要在二维和三维运动中进行选择，其内部部件之间的连接关系及作用机理也可以相互借鉴，在此不再赘述。本领域技术人员还需要注意的是，喷嘴可采用耐低温的玻璃喷嘴，转接件、转接头以及金属锥台等均可以采用耐低温的金属材料制作；高能激光脉冲可以通过高能纳秒脉冲激光器产生，还可以通过其它短脉冲高能激光的光源产生，比如飞秒脉冲激光器等，在此不再赘述。本申请中的真空泵可以采用离子泵、罗茨泵等以实现真空靶室内的高真空。工作气体优选的采用氮气，氮气只是作为产生激光等离子体的一种靶物质，凡是能产生激光等离子体能够辐射一定强度软X射线的物质(气体或液体)，比如酒精、氙气等物质，均落入本申请的保护范围。

本申请中的探测器采用数字SiPM，对SiPM中每一个像素(基本单元) 进行读出，从而可以实现位置敏感型的光子计数测量，由于SiPM的基本单元尺寸在20μm左右，所以能够达到与CCD相近的位置分辨率，相比于传统的CCD元件，其信号增益提高了1000倍，从而极大的提高了其对弱光信号的探测效率，降低了成像曝光时间，能够实现更高的放大倍数。本申请中的软X射线光源采用可调节的三维位移机构，实现了在真空中对液体微流位置和角度的调节，提高了软X射线光路的几何精准度，方便了光路调节。本申请中采用多轴调节的反射单元，可以在真空中对第二反射镜的几何位置和俯仰角进行调节，实现了光路的优化。本申请中的真空系统可以通过预抽、全抽以及金属锥台37等设计实现真空腔内常压至真空的精确控制。本申请中使用的软X射线光源具有低碎屑、高转化率的优势，提高了光源的强度，降低了对光路中光学元件的损害，能够提高仪器的寿命。

总之，本申请提供的软X射线显微成像装置，能够以较低成本达到纳米级成像分辨率、秒级二维成像时间，可广泛应用于生命科学、医药研发领域中纳米尺度快速三维显微成像中，对于功能细胞的结构和代谢、微生物致病机理等研究领域具有示范作用。

以上所述的，仅为本申请的较佳实施例，并非用以限定本申请的范围，本申请的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本申请申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本申请专利的权利要求保护范围。本申请未详尽描述的均为常规技术内容。

设计图

一种软X射线显微成像装置论文和设计

一种软X射线显微成像装置论文和设计-郑睿

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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