基于KB镜的同步辐射共聚焦荧光实验装置的仪器校准方法与流程

本发明涉及一种基于kb镜的同步辐射共聚焦荧光实验装置的仪器校准方法。

背景技术：

x射线荧光分析方法是一种能确定物质中元素成分的定性和定量方法，它广泛应用于生物、材料、地质、考古、环境等学科领域中，具有灵敏、无损、大气环境等优点。但常规的荧光实验中，没有深度空间分辨能力。通过x射线共聚焦实验方法则可以提供物质的三维空间分布信息。

x射线共聚焦实验方法是1992年由gibson和kumakhov提出来的，2000年出现了第一个x射线共聚焦实验装置。目前的共聚焦实验装置大多基于实验室x射线，亮度较低，分辨能力较差。

而基于同步辐射硬x射线微聚焦光束，虽然可以大幅提高共聚焦荧光实验的空间分辨率，但相对地，高的空间分辨要求更高的仪器校准精度。普通的共聚焦实验的分辨率(即，共聚焦微元的尺寸)为数十个微米，是由入射x尺寸和毛细管视场的大小共同决定的，在这种实验中，光斑尺度等于或远大于毛细管的空间分辨率，仪器校准要求低，误差不超过毛细管的视场即可满足要求。而在微聚焦光斑的共聚焦荧光实验中，例如基于kb镜聚焦的同步辐射共聚焦荧光实验，可以大大缩小入射x光的尺寸，将设备的最高分辨率仅仅取决于毛细管的视场大小。由于光斑远小于毛细管的视场大小，而且在现有工艺下，毛细管的视场最小约为20μm，也就是说，配合聚焦x光斑，可以将实验设备的共聚焦微元缩小至2*2*20μm³左右。这时就需要更精确的设备校准手段来标定共聚焦微元，以进一步提高共聚焦荧光实验的空间分辨率。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种基于kb镜的同步辐射共聚焦荧光实验装置的仪器校准方法，以大幅提高仪器的校准精度。

本发明所述的一种基于kb镜的同步辐射共聚焦荧光实验装置的仪器校准方法，所述同步辐射共聚焦荧光实验装置包括：

一kb镜，其用于接收入射的非聚焦的硬x射线，并射出聚焦x射线；

一样品控制系统，其包括：由下至上依次安装在一起的一第一x方向电机、一第一y方向电机、一第一z方向电机以及一样品架；

一显微镜系统，其包括：一显微镜组件；以及

一探测器系统，其包括：由下至上依次安装在一起的一第三y方向电机、一第三x方向电机、一第三z方向电机、一摆角电机、一俯仰电机以及一荧光探测器；

所述方法包括以下步骤：

步骤1，调整所述显微镜组件的焦点，使其与所述kb镜的焦点重合；

步骤2，将一具有铜系带的标样放置在所述样品架上，并使所述标样的铜系带的表面与所述聚焦x射线垂直，然后在所述显微镜组件的辅助观测下通过所述样品控制系统将所述标样调整至所述kb镜的焦点上，其中，所述标样的铜系带的厚度为5-20nm，其宽度为5-10μm；

步骤3，将所述荧光探测器直接对准所述标样；

步骤4，通过扫描所述第一y方向电机和第一z方向电机，对所述标样进行荧光二维成像，并使得所述聚焦x射线最终落在所述铜系带的靠近所述荧光探测器的一侧边缘上；

步骤5，将一毛细管安装在所述荧光探测器的前端；

步骤6，分别在所述第三y方向电机的不同位置扫描所述第三x方向电机，并根据所述荧光探测器探测到的荧光信号强度的峰值位置变化，矫正所述摆角电机的位置；

步骤7，分别在所述第三y方向电机的不同位置扫描所述第三z方向电机，并根据所述荧光探测器探测到的荧光信号强度的峰值位置变化，矫正所述俯仰电机的位置；

步骤8，重复执行所述步骤6和步骤7，直至所述毛细管的主光轴与所述第三y方向电机的运动方向完全平行；

步骤9，使所述第三x方向电机和第三z方向电机分别运动到荧光信号强度峰值的位置上；以及

步骤10，扫描所述第三y方向电机，通过所述荧光探测器得到荧光信号强度与所述第三y方向电机位置的关系曲线，并根据该关系曲线，使所述第三y方向电机运动到荧光信号强度峰值的位置上，以将所述毛细管的主光轴校准至与所述聚焦x射线的焦点重合。

在上述的基于kb镜的同步辐射共聚焦荧光实验装置的仪器校准方法中，所述样品控制系统还包括：

一安装在所述第一y方向电机上以在其带动下沿y方向运动的45度x方向电机；

一安装在所述45度x方向电机上以在其带动下沿与x正方向和y负方向各成45度角的方向运动的45度y方向电机；

所述第一z方向电机安装在所述45度y方向电机上以在其带动下沿与x正方向和y正方向各成45度角的方向运动；

一安装在所述第一z方向电机上以在其带动下沿z方向运动的旋转电机；

所述样品架安装在所述旋转电机上以在其带动下在水平面内旋转。

在上述的基于kb镜的同步辐射共聚焦荧光实验装置的仪器校准方法中，所述显微镜系统还包括：

一第二y方向电机；

一安装在所述第二y方向电机上以在其带动下沿y方向运动的第二x方向电机；

一安装在所述第二x方向电机上以在其带动下沿x方向运动的第二z方向电机；

一安装在所述第二z方向电机上以在其带动下沿z方向运动的显微镜转接件；

所述显微镜组件安装在所述显微镜转接件上。

在上述的基于kb镜的同步辐射共聚焦荧光实验装置的仪器校准方法中，所述探测器系统还包括：一探测器罩，其一端套在所述荧光探测器的信号采集端，其另一端插设所述毛细管。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明针对小尺寸的共聚焦微元，在专门设计的标样的辅助下，可以根据需要将基于kb镜的同步辐射共聚焦荧光实验装置中的仪器的校准精度(即，使毛细管的焦点与kb镜的焦点高精度重合)提高到0.2微米以下。

附图说明

图1是本发明基于kb镜的同步辐射共聚焦荧光实验装置的仪器校准方法中涉及的同步辐射共聚焦荧光实验装置的结构示意图；

图2是图1的同步辐射共聚焦荧光实验装置的结构分解俯视图；

图3是图1的同步辐射共聚焦荧光实验装置中样品控制系统的结构示意图；

图4是图1的同步辐射共聚焦荧光实验装置中显微镜系统的结构示意图；

图5是图1的同步辐射共聚焦荧光实验装置中探测器系统的结构示意图；

图6是图1的同步辐射共聚焦荧光实验装置中标样在其制备过程中执行步骤s101后的结构示意图；

图7是图1的同步辐射共聚焦荧光实验装置中标样在其制备过程中执行步骤s102后的结构示意图；

图8是图1的同步辐射共聚焦荧光实验装置中标样在其制备过程中执行步骤s103后的结构示意图；

图9是图1的同步辐射共聚焦荧光实验装置中标样在同步辐射共聚焦荧光实验中使用时的结构示意图；

图10是采用图1的同步辐射共聚焦荧光实验装置实现的同步辐射共聚焦荧光实验的原理图；

图11是本发明基于kb镜的同步辐射共聚焦荧光实验装置的仪器校准方法中执行步骤s204时的原理图；

图12a、b分别是本发明基于kb镜的同步辐射共聚焦荧光实验装置的仪器校准方法中执行步骤s206和s207时毛细管与第三y方向电机之间的位置关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

首先，对本发明，即，基于kb镜的同步辐射共聚焦荧光实验装置的仪器校准方法中涉及的同步辐射共聚焦荧光实验装置进行说明。

在此，上述同步辐射共聚焦荧光实验装置中涉及的各种方向定义如下：

俯视实验装置时，沿x射线入射方向为y方向；水平面内垂直于x射线入射方向为x方向；垂直于水平面的竖直向上方向为z方向。

请参阅图1-5，上述同步辐射共聚焦荧光实验装置包括：kb镜1、样品控制系统2、显微镜系统3和探测器系统4，其中，

kb镜1(kirkpatrick-baez镜)用于接收由同步辐射装置(图中未示)产生的非聚焦的硬x射线(如图2中箭头a所示)，并聚焦后产生聚焦x射线；

样品控制系统2用于调节放置在其上的标样5的姿态，并在显微镜系统3的辅助下，将标样5调整到聚焦x射线的焦点上，以使标样5在聚焦x射线的照射下产生荧光效应，向四面八方发出荧光信号；

显微镜系统3用于辅助标样5定位，其与聚焦x射线的光路(即y方向)成45度角(为了使标样5的荧光信号到达探测器系统4，且信噪比最好，标样5需要与聚焦x射线的光路(即y方向)成45度角，而显微镜系统3垂直于标样5表面放置，以便于观测和定位标样5，因此，显微镜系统3与聚焦x射线的光路(即y方向)也成45度角)；

探测器系统4置于与聚焦x射线的光路成90度角的方向上(即x方向)(该探测器系统4与显微镜系统3成45度角)，以用于收集该方向上的荧光信号(如图2中箭头b所示)，这是因为该方向上的散射信号最少，从而使得荧光信号的信噪比最高。

如图3所示，样品控制系统2具体包括：

第一x方向电机201；

安装在第一x方向电机201上以在其带动下沿x方向运动的第一y方向电机202；

安装在第一y方向电机202上以在其带动下沿y方向运动的45度x方向电机203；

安装在45度x方向电机203上以在其带动下沿与x正方向和y负方向(如图2所示)各成45度角的方向运动的45度y方向电机204；

安装在45度y方向电机204上以在其带动下沿与x正方向和y正方向(如图2所示)各成45度角的方向运动的第一z方向电机205；

安装在第一z方向电机205上以在其带动下沿z方向运动的旋转电机206；

安装在旋转电机206上以在其带动下在水平面内旋转的样品架207，其用于供标样5放置于其上，并在旋转电机206的调整下，可使得标样5的表面正对于聚焦x射线或者正对于显微镜系统3。

在本实施例中，样品架207由聚四氟乙烯材质制成，由于聚四氟乙烯材料不含金属原子，因此不会产生荧光干扰实验结果；另外，样品架207具体包括：与旋转电机206固定连接的底座271以及竖直安装在底座271顶面的圆锥件272，其中，圆锥件272在固定标样5的同时，也尽可能地减少了来自样品架207的散射。

在样品控制系统2的调节过程中，当标样5的表面正对于聚焦x射线时，第一z方向电机205与第一x方向电机201、第一y方向电机202组成一套扫描系统，提供标样5的三维扫描驱动；当标样5的表面与聚焦x射线成45度角时，第一z方向电机205与45度x方向电机203、45度y方向电机204组成一套扫描系统，提供标样5的三维扫描驱动。

如图4所示，显微镜系统3具体包括：

第二y方向电机301；

安装在第二y方向电机301上以在其带动下沿y方向运动的第二x方向电机302；

安装在第二x方向电机302上以在其带动下沿x方向运动的第二z方向电机303；

安装在第二z方向电机303上以在其带动下沿z方向运动的显微镜转接件304；

安装在显微镜转接件304上的显微镜组件305，其由光学显微镜和摄像头组成，可用于远程观测标样5。

在进行同步辐射共聚焦荧光实验前，可通过第二y方向电机301、第二x方向电机302和第二z方向电机303将显微镜组件305的焦点定位到与聚焦x射线的焦点重合，再通过样品控制系统2将标样5移动到显微镜组件305的焦点上以实现标样5的辅助定位。

如图5所示，探测器系统4具体包括：

第三y方向电机401；

安装在第三y方向电机401上以在其带动下沿y方向运动的第三x方向电机402；

安装在第三x方向电机402上以在其带动下沿x方向运动的第三z方向电机403；

安装在第三z方向电机403上以在其带动下沿z方向运动的摆角电机404，其可以采用市场上现有的旋转电机实现；

安装在摆角电机404上的俯仰电机405；

安装在俯仰电机405上的荧光探测器406，其在摆角电机404的带动下调节摆动角度(一般调节范围在±2度)，并在俯仰电机405的带动下调节俯仰角度(一般调节范围在±2度)，该荧光探测器406用于探测聚焦x射线的荧光信号，具有能量分辨率；

探测器罩407，其一端套在荧光探测器406的信号采集端，其另一端插设有毛细管408，该探测器罩407用于将毛细管408置于荧光探测器406前的合适位置上，同时屏蔽环境中的杂散光，提高采集数据的信噪比，其由铝合金材质制成，并且为一中空的圆筒结构；毛细管408用于将聚焦x射线变为平行光。

在进行同步辐射共聚焦荧光实验前，利用俯仰角电机406和摆角电机404将毛细管208的主光轴调整至与第三y方向电机401的运动方向完全平行，并采用第三y方向电机401、第三x方向电机402和第三z方向电机403将毛细管408的焦点校准至与聚焦x射线的焦点完全重合，至此可以开始进行实验。

用于上述同步辐射共聚焦荧光实验装置的标样5的制备方法包括以下步骤：

步骤s101，通过磁控溅射、分子束外延等方法在硅衬底51的整个顶面上沉积厚度为5-20nm(优选为5nm)的铜薄膜52，并将该带有铜薄膜52的硅衬底51切割成长度为3-7mm(优选为5mm)，宽度为0.8-1.2mm(优选为1mm)；(如图6所示)

步骤s102，通过离子束刻蚀方法刻蚀铜薄膜52以及紧邻铜薄膜52的具有部分厚度的硅衬底51，以使它们的宽度减小，形成宽度为50-200μm(优选为100μm)的铜条带53和第一衬底部54；(如图7所示)

步骤s103，通过聚焦离子束刻蚀方法刻蚀铜条带53以及第一衬底部54，以使铜条带53和第一衬底部54的延长度方向延伸的两个相对的侧面在其中间位置处分别向内凹入，从而形成宽度为5-10μm(优选为5μm)、长度为20-50μm(优选为20μm)的铜系带55和第二衬底部56(如图8所示)，其中，优选的，宽度为5μm、长度为20μm、厚度为5nm的铜系带55即为标样5的有效区域。

在同步辐射共聚焦荧光实验中使用上述标样5时，应将标样5竖直放置，并使其一个沿宽度方向延伸的端面朝下，使其铜镀层正对着同步辐射x光的入射方向；具体来说，如图9所示，在使用时，需将硬x射线垂直于标样5的铜条带53表面入射(如图9中箭头a所示)，然后调整标样5的位置，使聚焦x射线的焦点落在铜系带55的中间位置o处，接着沿垂直于聚焦x射线的方向放置探测器系统，以探测标样5出射的铜的荧光信号(如图9中箭头b所示)；在此过程中，由于铜系带55的宽度较窄，因此，对铜的荧光信号的吸收较弱，可以忽略。由此，标样5可以垂直于同步辐射x光的入射方向放置，荧光信号依旧可以不受影响的到达荧光探测器406，此时，标样5出射的荧光信号与标样5与同步辐射x光的入射方向成斜45度放置时出射的荧光信号的强度相同。因此，在同步辐射共聚焦荧光实验中扫描共聚焦微元时就可以直接得到共聚焦微元的尺寸测量结果，而不需要用一个斜面扫描，再计算出结果(斜面扫描会带来误差，这个误差对于大体积的共聚焦微元影响不大，但对于小体积的共聚焦微元测量影响很大)，且由于铜带系厚度很薄，不会把厚度误差引入仪器标定中。另外，需要注意的是，以上参数来源于多次实验的摸索，是追求标样极致小巧下各参数平衡的结果。如图10所示，根据采用上述同步辐射共聚焦荧光实验装置实现的同步辐射共聚焦荧光实验的原理图可知，硬x射线经过kb镜1产生聚焦x射线，然后通过使该聚焦x射线的焦点落在标样5上，从而激发出标样5的荧光信号，最后通过使用与聚焦x射线的光路成90度角度的探测器系统4观测这些荧光信号，其中，荧光探测器406前放置有起到限束作用的毛细管408，从而可以仅将毛细管408的视场内的荧光信号传递给荧光探测器406。

毛细管408的视场(即毛细管408光路)最小的截面(如图10中线段a-a所示)即为毛细管408的焦点。通过调整设备，可使kb镜1的焦点(如图10中线段b-b所示)与毛细管408的焦点重合。kb镜1的焦点和毛细管408的焦点的重合部分为共聚焦微元(如图10中由斜线填充的部分所示)，由毛细管408的视场决定的共聚焦微元的最小尺寸即为共聚焦设备的最高空间分辨率。

由于制造工艺等因素的限制，毛细管408的焦点很难做得很小，也就是说，kb镜1的焦点大小远远小于毛细管408的焦点大小。从图10可以看出，kb镜1和毛细管408的焦点附近的光路形状均为马鞍形，焦点处的光路截面最小，离开焦点一定距离的截面急剧放大。由于焦点附近的光路截面大小相差不大，因此可以认为这段距离内的光路截面都相等，这段距离被称作景深。由于kb镜1的焦点较小，其景深l仅为数个微米，离开景深l范围以外的光斑大小急剧变大；而毛细管408的视场则较大，因此它与kb镜1光路相交部分的边缘不可避免的落在kb镜1焦点景深l以外；一旦该边缘偏离kb镜1焦点，则会造成共聚焦微元的尺寸急剧增大。因此，为了获得最小尺寸的共聚焦微元，要求毛细管408与kb镜1的焦点严格重合在一起，且误差需要控制在一微米以内。这就要求有一套高精度的仪器校准方法，将二者焦点严格重叠在一起。

基于上述情况，本发明的校准方法包括以下步骤：

步骤s201，调整显微镜组件305的焦点，使其与kb镜1的焦点重合；

步骤s202，将上述标样5放置在样品控制系统2上，并使标样5的铜系带55(即，有效区域)表面与聚焦x射线垂直，并通过显微镜组件305辅助观测以将标样5调整至kb镜1的焦点上；

步骤s203，将荧光探测器406直接对准标样5(荧光探测器406前端不放置毛细管408)；

步骤s204，通过扫描第一y方向电机202和第一z方向电机205，对标样5进行荧光二维成像，并使得聚焦x射线最终落在标样5的铜系带55的靠近荧光探测器406的一侧边缘上(如图11所示)(由于聚焦x射线的光斑尺寸较小，且标样5的铜系带55非常薄，因此，可将产生荧光信号的铜作为一个点信号源)，(考虑到铜带系55只有一部分宽度比较窄，因此必须使聚焦x射线照射在铜带系55最窄的这部分上，才能保证荧光信号不受影响的进入荧光探测器406，否则会被铜薄膜52吸收掉。因此，本步骤s204的目的在于使得聚焦x射线最终落在标样5的铜系带55的特定位置上，此时，产生荧光信号的铜体积非常小，可以认为是一个点，这个点产生的荧光信号可以几乎没有被铜自吸收的被荧光探测器406所接收，从而进一步减少铜对荧光信号吸收的影响)；

步骤s205，将毛细管408安装在荧光探测器406的前端；

步骤s206，分别在第三y方向电机401的不同位置扫描第三x方向电机402，并根据荧光探测器406探测到的荧光信号强度的峰值位置变化，矫正摆角电机404的位置；具体来说：当第三y方向电机401处于y1位置时，扫描第三x方向电机402，以通过荧光探测器406得到荧光信号强度变化曲线的峰值位置为x1，当第三y方向电机401处于y2位置时，扫描第三x方向电机402，以通过荧光探测器406得到荧光信号强度变化曲线的峰值位置为x2，则毛细管408的主光轴与第三y方向电机401的运动方向(第三y方向电机401的运动方向是指荧光将探测器406靠近或者远离标样5的方向)的水平夹角α＝tan^-1[(x1-x2)/(y1-y2)](如图12a的俯视图所示)；

步骤s207，分别在第三y方向电机401的不同位置扫描第三z方向电机403，并根据荧光探测器406探测到的荧光信号强度的峰值位置变化，矫正俯仰电机405的位置；具体来说：当第三y方向电机401处于y1位置时，扫描第三z方向电机403，以通过荧光探测器406得到荧光信号强度变化曲线的峰值位置为z1，当第三y方向电机401处于y2位置时，扫描第三z方向电机403，以通过荧光探测器406得到荧光信号强度变化曲线的峰值位置为z2，则毛细管408的主光轴与第三y方向电机401的运动方向的垂直平面内的夹角β＝tan^-1[(z1-z2)/(y1-y2)](如图12b的正视图所示)；

步骤s208，重复执行上述步骤s206和步骤s207，直至毛细管408的主光轴与第三y方向电机401的运动方向完全平行，此时，上述夹角α和β为零(即，在电机的运动精度内无法使毛细管408的主光轴更平行于第三y方向电机401的运动方向)，需要注意的是，在执行完步骤s208后，则保持摆角电机404和俯仰电机405的位置不变；

步骤s209，使第三x方向电机402和第三z方向电机403分别运动到荧光信号强度峰值(即，通过荧光探测器406接收荧光信号，对其强度进行计数，取荧光探测器406计数的最大值即为荧光信号强度的峰值)的位置上(在执行步骤s209时，第三x方向电机402和第三z方向电机403分别运动，且没有先后顺序，即，任选一个先运动，再使另外一个运动)；；

步骤s210，扫描第三y方向电机401，通过荧光探测器406得到荧光信号强度与第三y方向电机401位置的关系曲线，并根据该关系曲线，使第三y方向电机401运动到荧光信号强度峰值的位置上，至此，即可将毛细管408的主光轴校准至于聚焦x射线的焦点重合。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明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，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。