一种软X射线光源的制作方法

本申请涉及软x射线领域，更具体地涉及一种软x射线光源。

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，对低碎屑、高亮度、高稳定性的软x射线光源的需求日益强烈。另外，在原子光谱学、分子光谱学、等离子体物理学等学科中，常常会需要软x射线光源作为实验必需的手段，因此，软x射线光源的应用需求一直处于快速上升的趋势。

最早的激光等离子体软x射线光源使用的是固体金属靶，这种靶会产生较多的金属碎屑，这些碎屑可能会对靠近光源的光学器件造成破坏，使其无法发挥正常功能，极大降低了功效，导致实验或仪器中的光路无法正常工作。因此，随着技术的进步，液体微流靶开始广为使用。

但是，现有技术中使用的均是结构固定、不可调节的液体微流靶装置，喷嘴的位置在安装完成之后是固定不可调的，许多软x射线的应用，如软x射线显微镜中，要求光源具有高度的几何对称性，若光源装置在加工中存在误差或者由于仪器老化导致喷嘴位置出现偏差，将会直接影响到仪器的应用，降低应用性能。

技术实现要素：

本申请的目的是提供一种软x射线光源，从而解决上述现有技术中软x射线光源的位置不可调的问题。

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射线光源，该软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，所述喷嘴设置于所述制冷腔上，所述软x射线光源还包括支撑板、波纹管和三维位移机构，所述支撑板设置于所述真空靶室上，所述支撑板上设置有穿过所述支撑板的制冷剂入口管道、制冷剂出口管道和工作气体管道，所述制冷剂入口管道和所述制冷剂出口管道分别与所述制冷腔连通，所述工作气体管道穿过所述制冷腔并与所述喷嘴连接；所述波纹管设置于所述支撑板与所述真空靶室之间，所述制冷剂入口管道、制冷剂出口管道和工作气体管道均从所述波纹管内部穿过；所述三维位移机构设置于所述支撑板与所述真空靶室之间。

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，所述软x射线光源还包括相互平行布置且套设于所述波纹管外侧的第一支撑板、第二支撑板以及第三支撑板，所述第一支撑板通过所述第三位移调节器可活动地固定于所述支撑板上，所述第二支撑板通过所述第二位移调节器可活动地固定于所述第一支撑板上，所述第二支撑板同时通过所述第一位移调节器可活动地固定于所述第三支撑板上，所述第三支撑板固定于所述真空靶室上。

根据本申请的一个实施例，所述第一位移调节器包括第一支撑架、第一推进器、第一导轨以及第一导轨槽，所述第一支撑架固定于所述第三支撑板上，所述第一推进器固定于所述第一支撑架上并与所述第二支撑板对应，所述第一导轨沿第一方向固定于所述第三支撑板上，所述第一导轨槽固定于所述第二支撑板下方并与所述第一导轨滑动配合。

根据本申请的一个实施例，所述第二位移调节器包括第二支撑架、第二推进器、第二导轨以及第二导轨槽，所述第二支撑架固定于所述第二支撑板上，所述第二推进器固定于所述第二支撑架上并与所述第一支撑板对应，所述第二导轨沿第二方向固定于所述第二支撑板上，所述第二导轨槽固定于所述第一支撑板下方并与所述第二导轨滑动配合，所述第一方向与所述第二方向相互垂直。

根据本申请的一个实施例，所述第三位移调节器包括螺杆和螺帽，所述螺杆沿第三方向均匀的固定于所述第一支撑板上，所述支撑板通过所述螺帽与所述螺栓的配合固定于所述螺栓上，所述第三方向与所述第一方向、所述第二方向相互垂直。

根据本申请的一个实施例，所述第三位移调节器采用若干个沿第三方向设置的步进器，所述支撑板通过所述步进器固定于所述第一支撑板上，所述第三方向与所述第一方向、所述第二方向相互垂直。

根据本申请的一个实施例，所述第一推进器或者所述第二推进器采用微分头。

根据本申请的一个实施例，所述工作气体管道其中一段形成为横截面积增大的冷凝腔，所述冷凝腔的至少一部分位于所述制冷腔内。

根据本申请的一个实施例，所述喷嘴处设置有金属转接件，所述金属转接件位于所述制冷腔底部。

根据本申请的一个实施例，所述喷嘴处设置有温度传感器。

本申请提供的软x射线光源，针对上述不足，在装置上设置三维位移机构以实现在x、y、z三轴方向上调节喷嘴位置，从而实现光源几何位置的调节。另外，采用制冷腔内的制冷剂与通有工作气体的直通管道直接接触的方式降温，制冷效果可以随制冷剂的选用进行调整，并且可以达到极低的温度并液化某些液化点较低的工作气体，比如液氮；在喷嘴外围通过电阻丝在喷嘴出口处进行加热，以增加液流稳定性；同时，本申请使用了多路真空系统，在喷嘴下方采用锥形金属台和真空泵管道配合，防止低温微流在流动的过程中进一步气化使真空度降低，并造成软x射线的消耗，在真空靶室腔体上方设置有另一组真空泵抽取腔内气体，维持腔内高真空。

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射线光源的立体示意图；

图2是根据图1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3是根据图1的软x射线光源的局部剖切的立体示意图；

图4是根据图1的软x射线光源的剖面示意图，其中仅示出了上半部分；

图5是根据图1的软x射线光源的剖面示意图，其中仅示出了下半部分；

图6是根据图5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7是根据图1的软x射线光源的外部设备连接的示意图。

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射线光源的立体示意图，由图1可知，本申请提供的软x射线光源包括三维位移机构、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1中，三维位移机构包括支撑板10、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；波纹管60呈筒状并可以实现沿其轴向伸缩，波纹管60的顶部密封设置于支撑板10的下板面上，波纹管60的底部与第一法兰盘30紧密连接，支撑板10、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，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并插入波纹管60内部。

进一步地，在图1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2是根据图1的软x射线光源的局部放大的立体示意图，由图2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4)，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4)，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3是根据图1的软x射线光源的局部剖切的立体示意图，图4是根据图1的软x射线光源的剖面示意图，图5是根据图1的软x射线光源的剖面示意图，由图4、图5结合图3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6是根据图5的软x射线光源的局部放大的立体示意图，由图6结合图3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7是根据图1的软x射线光源的外部设备连接的示意图，由图7可知，该软x射线光源还包括制冷剂存储器1，制冷剂存储器1通过传输管2与制冷剂入口管道13连接，传输管2上设置有低温电磁阀3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射线光源进一步还包括分子真空泵4，分子真空泵4通过真空传输管200与制冷剂出口管道12连接，真空传输管200上设置有高温缓冲腔6，高温缓冲腔6处设置加热器7，高温缓冲腔6和分子真空泵4之间还设置有真空电磁阀5，通过高温缓冲腔6和加热器7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5和分子真空泵4，真空电磁阀5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4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。光源产生机构还包括高能激光脉冲发生器，高能激光脉冲入口设置在多通管50侧面上的其中一个出口处，在该出口外部设置有激光聚焦透镜8，激光聚焦透镜8可将高能激光脉冲100聚焦于多通管50内部的喷嘴36处并作用于液体微流上，从而使得液体微流等离子体化并产生软x射线。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处都连接有抽真空装置，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，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。

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。