CN103134825B - 一种多用途同步辐射相干x射线衍射显微成像装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置，该装置沿光束前进方向依次共轴排列有：同步辐射X射线光源、波荡器、设置于电控旋转平台上的单色器晶体、X射线快门、第一升降平台和设置于其上的聚焦装置腔、真空管道、第二升降平台和设置于其上的多用途样品室、真空管道、第三升降平台和设置于其上的探测器、以及收集数据和控制电控平移台移动的计算机。本发明装置实现了低真空工作模式，换气工作模式，冷冻工作模式，X射线聚焦或非聚焦模式成像，并利用三维样品旋转台，实现了样品三维衍射信号的采集，并利用计算机软件获得了高质量三维重建结果，且不需要对样品进行染色，切片处理，对丰富同步辐射束线成像手段提供了思路。

Description

一种多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置及应用

技术领域

本发明涉及一种多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置及利用该设备进行相干X射线衍射成像的应用。

背景技术

1895年伦琴首次发现X射线以来,X射线被广泛用于成像和结构解析，其中布拉格根据晶体的X射线衍射现象，将X射线用于解析晶体的原子和分子结构。经过近100年的发展,X射线晶体学在解析晶体的原子结构方面起了重要作用，但是X射线晶体学不适用于非结晶性材料。相干X射线衍射成像技术作为X射线晶体学的发展和延伸，是一种非常有潜力的解析晶体和非晶材料三维高分辨结构的方法。在材料学，物理学，生物学等学科有重要的应用价值。

相干X射线衍射成像技术（coherent x-ray diffraction imaging，简记为CDI）又称为无透镜成像技术，是近十几年来发展起来的新成像方法。其基本成像原理是当一束相干X射线照射样品，可以是晶体和非晶样品，在远场处得到的衍射图样是样品的傅里叶变换，但是探测器只能记录衍射图样的强度信息，利用计算机，采用迭代和过度取样相结合的算法实现衍射图样的相位恢复和图像重建。由于X射线具有波长短，穿透能力强等特点，相比传统的成像方法，相干X射线衍射成像技术具有诸多优点：相比光学显微镜能获得较高的分辨率；相比扫描电子显微镜和原子力显微镜能够获得三维高分辨信息；相比透射电子显微镜能够对更厚的样品进行成像；另外，由于其不以X射线光学元件为成像基础，克服了X射线难以聚焦的缺点。同时该成像方法是以同步辐射相干X射线为光源，相比于实验室X射线机，同步辐射X射线光源具有更好的亮度和空间、时间相干性，保证了具有确定相位关系，高分辨，高信噪比的相干衍射信号的获取。

上述成像方法自1999年首次实现以来已经得到了快速的发展，在此基础上发展出扫描CDI，菲涅尔CDI，反射CDI等多种CDI成像新方法。其应用领域也在进一步扩展，主要有生物材料三维高分辨成像，如未染色酵母菌细胞的三维定量成像分析；无机材料的三维量化研究，如GaN量子点的三维壳层结构量化成像等。实现样品结构的三维重建，一套精确有效的计算机断层扫描重建算法是重建成功的保证。滤波反投影重建算法和基于迭代算法的等斜率断层扫描重建算法是两种常用算法，其中等斜率断层扫描重建算法是以等斜率间隔取投影，采用迭代方法进行三维重建的算法，相比于传统CT的滤波反投影重建算法，在获取相同图像重建质量的情况下能够有效的重建所需的投影数量。

X射线对样品的辐射损伤，尤其对生物样品的辐射损伤是限制相干X射线衍射成像技术进一步发展的一个重要原因。采用冷冻技术和减少三维重建所需的投影数是能够降低辐射样品损伤的有效方法。冷冻相干X射线衍射成像和低辐射剂量三维重建是目前相干X射线发展的重点。

目前传统的相干X射线衍射显微镜成像系统主要搭建于高性能同步辐射光源，主要能够实现某一种特定的相干X射线衍射成像，如仅实现非真空状态下的平面波CDI成像等，且三维重建是基于传统等角度取样的滤波反投影算法进行，三维重建精度较差。对于样品的辐射损伤问题没有很好的解决。随着第四代同步辐射光源-X射线自由电子激光的发展，相干X射线衍射成像技术在无损伤成像和动态成像方面具有巨大的应用前景，因此一套可移动多功能相干X射线衍射显微镜系统对于开展相干X射线衍射成像新方法研究和材料的定量、原位、动态成像等具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置及利用该设备进行相干X射线衍射成像的应用。

在同步辐射相干X射线衍射显微成像实验中，由于同步辐射光源是固定的，因此需要根据光源来搭建可移动的多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置。

本发明所述多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置，其特征在于：所述装置沿光束前进方向依次共轴排列有：同步辐射X射线光源、波荡器、设置于电控旋转平台上的单色器晶体、X射线快门、第一升降平台和设置于其上的聚焦装置腔、真空管道、第二升降平台和设置于其上的多用途样品室、真空管道、第三升降平台和设置于其上的探测器、以及收集数据和控制电控平移台移动的计算机；其中所述聚焦装置腔由PVC板制备，在侧面设有一个封闭门（用于内部设备调整），腔内沿光路前进方向依次共轴排列有：固定于角位移台和二维方向高精度平移台上的水平聚焦Kirkpatrick-Baez镜（简记为KB镜）、固定于角位移台和二维方向高精度平移台上的垂直聚焦KB镜，所述多用途样品室顶端面和侧面分别设有一个密封门（用于内部设备调整和更换样品），室中沿光路前进方向依次共轴排列有：固定于二维方向高精度电动平移台上的针孔、第一直角光阑、第二直角光阑、能三维方向移转的样品台和可移动光电二极管，样品室顶部设有一个真空阀接口，接于真空泵，样品室底部一侧和样品室顶部另一侧各设一个换气接口，分别为进气口和出气口，正对样品台位置设置一个氮气冷却喷头，喷头的另一端连接于样品室顶部的液氮进口，所述第三升降平台上沿光路前进方向依次共轴排列有：X射线衰减器，固定于二维高精度电动平移台上的光电二极管，X射线挡板和置于高精度三维方向电动平移台上的X射线CCD探测器。

上述多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置优选的实施方式是：所述单色器晶体为111晶面的Si单晶；所述X射线快门响应时间为0.1-10ms，X射线穿透阈值不小于20KeV；所述针孔孔径范围为0.2μm-50μm，厚度不低于100μm；所述第一直角光阑和第二直角光阑均为边缘平整、洁净的硅窗，厚度不低于100μm，分别置于针孔之后10-30cm和40-60cm的位置；所述可移动光电二极管为硅X射线光电二极管，连接于信号放大器，探测X射线的通量；所述样品台由两个二维方向平移台和一个180°或360°旋转台组成，距离第二直角光阑的距离为1-20cm；所述X射线衰减器由一楔形铝片构成，楔形厚度范围为0.01mm-5mm；所述X射线挡板由边缘平整、厚度2-5mm的正方形不锈钢片组成，置于X射线CCD探测器前1-10cm；所述X射线CCD探测器为单光子响应液氮制冷CCD，距离样品台为10-500cm。

上述多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置中：所述聚焦装置腔和多用途样品室为透明设计，可实现对样品室内部的实时观测，样品室壁优选由厚度为1.5-3cm的透明PVC板制得。

上述多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置中，数据信号的采集，单色器晶体的旋转，快门的开关，聚焦装置腔内KB镜的角度摆动和二维移动，样品室中针孔、第一直角光阑、第二直角光阑的二维移动，样品台的二维移动和旋转，光电二极管、X射线衰减器、X射线挡板的二维移动和高灵敏度X射线CCD探测器的三维移动均通过计算机来控制。

本发明所述多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置主要用途表现在：可实施X射线聚焦模式，或非X射线聚焦模式，同时样品室也具有多种工作模式，分别为低真空工作模式，换气工作模式，冷冻工作模式；在聚焦模式下，将KB镜通过二维平移台移入光路，调整两个KB镜的相对位置和角度实现对X射线的聚焦，提高X射线通量，适合于对纳米级样品进行成像；在非聚焦模式下，将KB镜移出光路；在真空工作模式下，连接真空泵与真空阀，关闭可换气口和冷却装置接口，对整个样品室进行抽真空处理，适合于在较低X射线能量下进行相干X射线衍射成像实验；在换气工作模式下，连接惰性气体（优选氦气）瓶与样品室进气口，对样品室不间断冲入惰性气体，此模式适合于较高X射线能量且频繁更换样品的条件，节省了抽放真空的时间；在冷冻工作模式下，连接液氮瓶和样品室顶部的液氮进口，使氮气冷却喷头正对样品台位置，用于对样品喷射氮气，使样品保持在低温条件下，此工作模式下能够有效的提高样品的抗辐射损伤能力，降低X射线对样品的辐射损伤。

本发明所述多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置的应用方法，步骤为：

第一步：搭建多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置

上述装置沿光束前进方向依次共轴排列有：同步辐射X射线光源、波荡器、设置于电控旋转平台上的单色器晶体、X射线快门、第一升降平台和设置于其上的聚焦装置腔、真空管道、第二升降平台和设置于其上的多用途样品室、真空管道、第三升降平台和设置于其上的探测器、以及收集数据和控制电控平移台移动的计算机；其中所述聚焦装置腔在侧面设有一个用于内部设备调整的封闭门，其腔内沿光路前进方向依次共轴排列有：固定于角位移台和二维方向高精度平移台上的水平聚焦KB镜、固定于角位移台和二维方向高精度平移台上的垂直聚焦KB镜，所述多用途样品室顶端面和侧面分别设有一个密封门，室中沿光路前进方向依次共轴排列有：固定于二维方向高精度电动平移台上的针孔、第一直角光阑、第二直角光阑、能三维方向移转的样品台和可移动光电二极管，样品室顶部设有一个真空阀接口，接于真空泵，样品室底部一侧和样品室顶部另一侧各设一个换气接口，分别为进气口和出气口，正对样品台位置设置一个氮气冷却喷头，喷头的另一端连接于样品室顶部的液氮进口，所述第三升降平台上沿光路前进方向依次共轴排列有：X射线衰减器，固定于二维高精度电动平移台上的光电二极管，X射线挡板和置于高精度三维方向电动平移台上的X射线CCD探测器；

第二步：光路准直，净化

上述光路准直与净化包括KB聚焦镜组，针孔，直角光阑，X射线挡板和X射线CCD的准直与净化；选择内径为0.2-50μm的针孔，直角光阑选择厚度为0.1-2mm的硅片，分别置于针孔后10-30cm和40-60cm的位置，X射线挡板选用厚度为2-5mm的不锈钢板，置于X射线CCD探测器前1-10cm的位置；准直过程中，调整KB镜位置及角度，观察聚焦光斑大小，确定最适光斑的KB镜位置，调整针孔位置，使X射线通过针孔，并将可移动光电二极管置于针孔之后，通过调整针孔位置观测光电二极管读数，确定最佳针孔位置；将可移动光电二极管分别置于第一直角光阑和第二直角光阑之后，通过调整直角光阑位置和光电二极管读数，确定直角光阑最佳位置，对光路进行净化；移入衰减器，调整X射线CCD探测器位置，使X射线直射光打到X射线CCD探测器的中心像素；

第三步：样品制备及位置标定

选用无水乙醇稀释样品浓度至10-1000个/μl，用移液枪将1-10微升样品置于厚度为30-100nm，宽为1-3mm，长为2-5mm的SiN薄膜上，光学显微镜进行观察，对以样品位置为中心，半径不低于10μm的范围内干净的样品进行位置标定，确定每个样品到薄膜两侧边缘的距离；

第四步：放置样品，选择工作模式

将制备好样品放置于样品台上，根据实验条件选择工作模式，首先确定是否选择X射线聚焦模式，若选用X射线聚焦模式，将KB镜移入光路并准直；若选用非X射线聚焦模式则将KB镜移出光路；其次确定样品室工作模式，若选低真空工作模式，即将样品室连接真空泵，对整个样品室进行抽真空处理；若选换气工作模式，即将样品室连接氦气瓶，控制释放氦气使样品室处于氦气保护之中；若选冷冻工作模式，即将样品先进行液氮速冻处理，再迅速置于样品台上，接通氮气冷却喷头，对样品喷射氮气，使样品保持低温；

第五步：优化实验参数，获取衍射数据

根据样品标定位置，找到待测样品，同时调整样品台的位置及检测衍射信号强度，调整X射线挡板位置，使其在保证不超出X射线CCD探测器阈值的情况下减少遮挡范围，以单次曝光时间为0.1-1s，曝光次数为100-5000次，获取低分辨衍射信号；进一步调整X射线挡板位置，增加挡板遮挡直射光尺寸，延长单次曝光时间到10s-60s，曝光次数为20-500次，获取高分辨衍射信号；分别将低分辨率衍射信号和高分辨率衍射信号的数据存储于连接的计算机中；

第六步：转动样品，获取三维数据

确定计算机断层扫描三维重建算法所需要的投影数，根据投影数量计算所对应的角度，以0°为中心，分别正负角度旋转；每旋转一个角度，重复一遍步骤五；

第七步：数据处理及图像重建

将上步中每一个角度下测量的低分辨率和高分辨率衍射图样进行拟合处理，获取完整的衍射信号，用迭代算法进行图像重建；

第八步：三维数据重建，方法如下：

将上步中每一角度下衍射数据的重建图像，采用计算机断层扫描重建算法进行三维重建，最终获得测试样品的三维结构图。

其中，上述多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置的应用方法中：所述计算机断层扫描三维重建算法优选等斜率断层扫描三维重建算法。

本发明的有益效果表现在：本发明提供的多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置将诸多种工作模式和功能进行了集成化处理，实现了X射线聚焦模式和非聚焦模式自由切换，样品室低真空工作模式，换气工作模式或冷冻工作模式的成像。采用KB镜聚焦X射线，提高X射线通量，采用针孔限制光斑，得到光束均匀，相干性好的X射线光源，分别利用第一直角光阑和第二直角光阑清除了针孔带来的杂散光，采取数据时一个角度下分别记录低分辨率和高分辨的数据，扩展了衍射数据的动态范围，提高了衍射数据的信噪比，将由于直射光带入的中心数据丢失控制到最小，其成像分辨率可以达到纳米量级。本发明利用三维样品旋转台，实现样品三维衍射信号的采集，采用计算机断层扫描三维重建算法应用于衍射数据的三维重建。三维重建中优选等斜率断层扫描三维重建算法，由于该算法采用了迭代算法，在较少的衍射投影数量下，能获得更精确重建结果，且不需要对样品进行染色，切片处理等。本发明在不改变重建质量的前提下相比传统的滤波反投影三维重建算法能够有效减少投影数量，对开发和研究成像方法，丰富同步辐射束线成像手段，研究材料的结构和性质及应用之间的关系具有重要的意义。

附图说明

图1本发明所述多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置示意图

其中：1同步辐射X射线光源，2波荡器，3单色器晶体，4X射线快门，5第一升降平台和设置于其上的聚焦装置腔，6真空管道，7第二升降平台和设置于其上的多用途样品室，8真空管道，9第三升降平台和设置于其上的探测器，10计算机，11水平聚焦KB镜、12垂直聚焦KB镜、13针孔，14第一直角光阑，15第二直角光阑，16样品台，17氮气冷却喷头，18可移动光电二极管，19衰减器，20光电二极管，21X射线挡板，22X射线CCD探测器。

图2本发明所述多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像方法流程图。

图3本发明所述实施例1的实验结果。

图4实施例1中采用迭代算法进行相位恢复和重建的样品图像。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，如下所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

如图1，本发明所述多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置沿光束前进方向依次共轴排列有：同步辐射X射线光源1、波荡器2、设置于电控旋转平台上的单色器晶体3、X射线快门4、第一升降平台和设置于其上的聚焦装置腔5、真空管道6、第二升降平台和设置于其上的多用途样品室7、真空管道8、第三升降平台和设置于其上的探测器9、以及收集数据和控制电控平移台移动的计算机10；其中所述聚焦装置腔在侧面设有一个封闭门，腔内沿光路前进方向依次共轴排列有：固定于角位移台和二维方向高精度平移台上的水平聚焦KB镜11、固定于角位移台和二维方向高精度平移台上的垂直聚焦KB镜12，所述多用途样品室顶端面和侧面分别设有一个密封门（用于内部设备调整和更换样品），室中沿光路前进方向依次共轴排列有：固定于二维方向高精度电动平移台上的针孔13、第一直角光阑14、第二直角光阑15、能三维方向移转的样品台16和可移动光电二极管18，样品室顶部设有一个真空阀接口，接于真空泵，样品室底部一侧和样品室顶部另一侧各设一个换气接口，分别为进气口和出气口，正对样品台位置设置一个氮气冷却喷头17，喷头的另一端连接于样品室顶部的液氮进口，所述第三升降平台上沿光路前进方向依次共轴排列有：固定于二维高精度电动平移台上的X射线衰减器19，光电二极管20，X射线挡板21和置于高精度三维方向电动平移台上的X射线CCD探测器22。

进一步的，上述多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置中：所述单色器晶体为111晶面的Si单晶；所述X射线快门响应时间为5ms，X射线穿透阈值为36KeV；所述针孔孔径为10μm，厚度为500μm；所述第一直角光阑和第二直角光阑均为边缘平整、洁净的硅窗，厚度为500μm，分别置于针孔之后30cm和50cm的位置；所述可移动光电二极管为硅X射线光电二极管，连接于信号放大器，探测X射线的通量；所述样品台由两个二维方向平移台和一个360°旋转台组成，距离第二直角光阑的距离为15cm；所述X射线衰减器由一楔形铝片构成，楔形厚度范围为0.01mm-3mm；所述X射线挡板由边缘平整、厚度4mm的正方形不锈钢片组成，置于X射线CCD探测器前5cm；所述X射线CCD探测器为单光子响应液氮制冷CCD，距离样品台为100cm。

应用本发明所述多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置及实验方法，如图2所示流程图，步骤为：

第一步：如图1，搭建多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置

所述多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置沿光束前进方向依次共轴排列有：同步辐射X射线光源1、波荡器2、设置于电控旋转平台上的单色器晶体3、X射线快门4、第一升降平台和设置于其上的聚焦装置腔5、真空管道6、第二升降平台和设置于其上的多用途样品室7、真空管道8、第三升降平台和设置于其上的探测器9、以及收集数据和控制电控平移台移动的计算机10；其中所述聚焦装置腔在侧面设有一个封闭门，腔内沿光路前进方向依次共轴排列有：固定于角位移台和二维方向高精度平移台上的水平聚焦KB镜11、固定于角位移台和二维方向高精度平移台上的垂直聚焦KB镜12，所述多用途样品室顶端面和侧面分别设有一个密封门（用于内部设备调整和更换样品），室中沿光路前进方向依次共轴排列有：固定于二维方向高精度电动平移台上的针孔13、第一直角光阑14、第二直角光阑15、能三维方向移转的样品台16和可移动光电二极管18，样品室顶部设有一个真空阀接口，接于真空泵，样品室底部一侧和样品室顶部另一侧各设一个换气接口，分别为进气口和出气口，正对样品台位置设置一个氮气冷却喷头17，喷头的另一端连接于样品室顶部的液氮进口，所述第三升降平台上沿光路方向依次共轴排列有：固定于二维高精度电动平移台上的X射线衰减器19，光电二极管20，X射线挡板21和置于高精度三维方向电动平移台上的X射线CCD探测器22。其中，通过旋转单色器获取能量为5KeV的X射线光源；计算机置于实验棚屋之外，连接于液氮制冷CCD探测器；CCD的像素数是1300×1340，单个像素大小为22.5μm。

第二步：光路准直，净化

上述光路准直与净化包括针孔，直角光阑，X射线挡板和X射线CCD的准直与净化；选择内径为10μm的针孔，直角光阑选择厚度为500μm的硅片，分别置于针孔后30cm和50cm的位置，X射线挡板选用厚度为4mm的不锈钢板，置于X射线CCD探测器前5cm的位置；准直过程中，调整针孔位置，使X射线通过针孔，并将可移动光电二极管置于针孔之后，通过调整针孔位置观测光电二极管读数，确定最佳针孔位置；将可移动光电二极管分别置于第一直角光阑和第二直角光阑之后，通过调整直角光阑位置和光电二极管读数，确定直角光阑最佳位置，对光路进行净化；移入衰减器，调整X射线CCD探测器位置，使X射线直射光打到X射线CCD探测器的中心像素；

第三步：样品制备及位置标定

本实施例中选用自然界中广泛存在的驱磁性细菌为研究对象，选用无水乙醇稀释样品浓度至100个/μl，用移液枪将5微升样品置于厚度为30nm，宽为2.5mm，长为5mm的SiN薄膜上，光学显微镜进行观察，对以样品位置为中心，半径不低于100μm的范围内干净的样品进行位置标定，确定每个样品到薄膜两侧边缘的距离；

第四步：放置样品，选择工作模式

将制备好样品放置于样品台上，样品台距第二直角光阑距离为45cm，根据实验条件选择工作模式，首先确定是否选择X射线聚焦模式，若选用X射线聚焦模式，将KB镜移入光路并准直；若选用非X射线聚焦模式则将KB镜移出光路；其次确定样品室工作模式，若选低真空工作模式，即将样品室连接真空泵，对整个样品室进行抽真空处理；若选换气工作模式，即将样品室连接氦气瓶，控制释放氦气使样品室处于氦气保护之中；若选冷冻工作模式，即将样品先进行速冻处理，再迅速置于样品台上，接通氮气冷却喷头，对样品喷射氮气，使样品保持低温；本实例中，X射线能量为5KeV，样品为微米大小的磁细菌，因此选用X射线非聚焦工作模式和低真空工作模式；将提前制备好的样品置于样品台上，将KB镜移出光路，连接真空泵和样品室真空阀，关闭样品室其他所有阀门，控制抽真空速率，直到整个设备真空度达到10^-6Torr。

第五步：优化实验参数，获取衍射数据

根据样品标定位置，找到待测样品，同时调整样品台的位置及检测衍射信号强度，调整X射线挡板位置，使其在保证不超出X射线CCD探测器阈值的情况下减少遮挡范围；根据样品衍射信号强度确定曝光时间和曝光次数；本实施例中，单次曝光时间为0.5s，曝光次数为1000次，获取低分辨衍射信号；进一步调整X射线挡板位置，增加挡板遮挡直射光尺寸，延长单次曝光时间到30s，曝光次数为100次，获取高分辨衍射信号；分别将低分辨率衍射信号和高分辨率衍射信号的数据存储于连接的计算机中；

第六步：转动样品，获取三维数据

确定计算机断层扫描三维重建算法所需要的投影数，根据投影数量所对应的角度，以0°为中心，分别正负角度旋转；设定所需角度数为32，每旋转一个角度，重复一遍步骤五；

第七步：数据处理及图像重建

将上步中每一个角度下测量的低分辨率和高分辨率衍射图样进行拟合处理，如图3所示，获取完整的衍射信号，用迭代算法进行图像重建，获得样品的重建图像，如图4所示；

第八步：三维数据重建，方法如下：

将上步中每一角度下衍射数据的重建图像，采用等斜率断层扫描重建算法进行三维重建，最终获得测试样品的三维结构图。

实施例2：

搭建与实施例1中相同的多用途同步辐射相干X射线衍射显微镜成像装置。所述多用途指的是该装置可分为X射线聚焦与非聚焦和样品室具有多种工作模式。本实施例说明非X射线聚焦、换气工作模式下具体实验过程及实验参数。

应用上述多用途同步辐射相干X射线衍射显微镜装置及成像方法，其成像流程如图2所示，步骤为：

第一步：如图1，搭建多用途同步辐射相干X射线衍射显微镜系统

所述X射线选用能量为8KeV，波长为0.155nm；其他参数设置和实验方法同实施例1步骤1相同；

第二步：光路准直，净化

针孔内径为10m，厚度为800μm，直角光阑选择厚度为1000μm的硅片，分别置于针孔后25cm和40cm的位置，X射线挡板选用厚度为5mm的不锈钢板，置于X射线CCD探测器前5cm的位置；其他参数与实验方法同实施例1步骤2相同；

第三步：样品制备，方法如下：

本实施例中选用具有优良化学和物理性质铋元素球为研究对象，选用无水乙醇稀释样品浓度至500个/μl，用移液枪将2微升样品置于厚度为30nm，宽为2.5mm，长为5mm的SiN薄膜上，光学显微镜进行观察，对以样品位置为中心，半径不低于100μm的范围内干净的样品进行位置标定，确定每个样品到薄膜两侧边缘的距离；

第四步：放置样品，选择合适工作模式，方法如下：

将制备好样品放置于样品台上，样品台距第二直角光阑距离为15cm，根据实验条件选择工作模式，首先确定是否选择X射线聚焦模式，若选用X射线聚焦模式，将KB镜移入光路并准直；若选用非X射线聚焦模式则将KB镜移出光路；其次确定样品室工作模式，若选低真空工作模式，即将样品室连接真空泵，对整个样品室进行抽真空处理；若选换气工作模式，即将样品室连接氦气瓶，控制释放氦气使样品室处于氦气保护之中；若选冷冻工作模式，即将样品先进行速冻处理，再迅速置于样品台上，接通氮气冷却喷头，对样品喷射氮气，使样品保持低温；本实例中，样品为微米量级的铋元素球，选用能量为8KeV，选用非X射线聚焦、换气工作模式，省去了频繁抽放真空的时间，提高实验效率；将提前制备好的样品置于样品台上，关闭样品室真空阀和氮气进口，连接氦气瓶与样品室氦气进气口，同时打开氦气出气口。保持0.5ml/s的速率给样品室充氦气。

第五步：优化实验参数，获取衍射数据

本实施例中，单次曝光时间为0.3s，曝光次数为1500次，获取低分辨衍射信号；进一步调整X射线挡板位置，增加挡板遮挡直射光尺寸，延长单次曝光时间到25s，曝光次数为150次，获取高分辨衍射信号；分别将低分辨率衍射信号和高分辨率衍射信号的数据存储于连接的计算机中；其他参数和实验方法同实施例1步骤5相同；

第六步：转动样品，获取三维数据，参数设置和实验方法同实施例1步骤6相同；

第七步：数据处理及图像重建，方法同实施例1步骤7相同；

第八步：三维数据重建，方法同实施例1相同。

实施例3：

搭建与实施例1中相同的多用途同步辐射相干X射线衍射显微镜成像装置。所述多用途指的是该装置可分为X射线聚焦与非聚焦模式和样品室具有多种工作模式。本实施例说明非X射线聚焦、液氮冷冻模式下具体实验过程及实验参数。

应用上述多用途同步辐射相干X射线衍射显微镜装置及成像方法，其成像流程如图2所示，步骤为：

第一步：如图1，搭建多用途同步辐射相干X射线衍射显微镜系统

所述X射线选用能量为8KeV，波长为0.155nm；其他参数设置和实验方法同实施例1步骤1相同；

第二步：光路准直，净化

针孔内径为10μm，厚度为800μm，直角光阑选择厚度为1000μm的硅片，分别置于针孔后25cm和40cm的位置，X射线挡板选用厚度为5mm的不锈钢板，置于X射线CCD探测器前5cm的位置；其他参数设置和实验方法同实施例1步骤2相同；

第三步：样品制备，方法如下：

本实施例中选用具有重要生物学意义的白色念球菌为研究对象，将细胞溶液选用纯水与甘油比例为9:1的溶液进行稀释，稀释样品浓度至300个/μl，在此比例下，采用速冻技术不会生成结晶性冰晶。用移液枪将2微升样品置于厚度为100nm，宽为2mm，长为2mm的SiN薄膜上，放到液态乙烷中速冻，迅速移植至样品台。选用同轴光学显微镜进行观察，该实验中样品选用以样品位置为中心，半径不低于100μm的范围内干净的样品进行位置标定，确定样品到薄膜两侧边缘的距离；

第四步：放置样品，选择合适工作模式，方法如下：

将制备好样品放置于样品台上，样品台距第二直角光阑距离为18cm，根据实验条件选择工作模式，首先确定是否选择X射线聚焦模式，若选用X射线聚焦模式，将KB镜移入光路并准直；若选用非X射线聚焦模式则将KB镜移出光路；其次确定样品室工作模式，若选低真空工作模式，即将样品室连接真空泵，对整个样品室进行抽真空处理；若选换气工作模式，即将样品室连接氦气瓶，控制释放氦气使样品室处于氦气保护之中；若选冷冻工作模式，即将样品先进行速冻处理，再迅速置于样品台上，接通氮气冷却喷头，对样品喷射氮气，使样品保持低温；本实例中，研究对象为微米量级的白色念球菌细胞，为了研究细胞的真实结构，有效降低X射线辐射损伤，本实施例中选用非X射线聚焦、液氮冷冻工作模式，能量选用8KeV。将提前制备好的样品置于样品台上，关闭样品室真空阀和氦气连接口，打开样品室侧门与顶部门，连接液氮冷冻装置与氮气冷却喷头，打开液氮冷却装置。保持0.1ml/s的速率吹氮气。

第五步：优化实验参数，获取衍射数据

本实施例中，单次曝光时间为0.5s，曝光次数为2500次，获取低分辨衍射信号；进一步调整X射线挡板位置，增加挡板遮挡直射光尺寸，延长单次曝光时间到40s，曝光次数为200次，获取高分辨衍射信号；分别将低分辨率衍射信号和高分辨率衍射信号的数据存储于连接的计算机中；其他参数设置和实验方法同实施例1步骤5相同；

第六步：转动样品，获取三维数据，参数设置和实验方法同实施例1步骤6相同；

第七步：数据处理及图像重建，方法同实施例1步骤7相同；

第八步：三维数据重建，方法同实施例1步骤8相同。

实施例4：

搭建与实施例1中相同的多用途同步辐射相干X射线衍射显微镜成像装置。所述多用途指的是该装置可分为X射线聚焦与非聚焦模式和样品室具有多种工作模式。本实施例说明X射线聚焦模式下具体实验过程及实验参数。

应用上述多用途同步辐射相干X射线衍射显微镜装置及成像方法，其成像流程如图2所示，步骤为：

第一步：如图1，搭建多用途同步辐射相干X射线衍射显微镜系统

所述X射线选用能量为10KeV，波长为0.124nm；其他参数设置和实验方法同实施例1步骤1相同；

第二步：光路准直，净化

针孔内径为1μm，厚度为800μm，直角光阑选择厚度为1000μm的硅片，分别置于针孔后25cm和40cm的位置，X射线挡板选用厚度为5mm的不锈钢板，置于X射线CCD探测器前3cm的位置；移入KB聚焦镜组，通过调整KB聚焦镜组的相对位置和角度，观察聚焦光斑，获取合适大小的聚焦光斑，其他参数设置和实验方法同实施例1步骤2相同；

第三步：样品制备，方法如下：

本实施例中选用在工业反应中具有优良催化性能的高指数面纳米金晶体为研究对象，选用无水乙醇稀释样品浓度至1000个/μl，用移液枪将2微升样品置于厚度为30nm，宽为2.5mm，长为5mm的SiN薄膜上，光学显微镜进行观察，对以样品位置为中心，半径不低于100μm的范围内干净的样品进行位置标定，确定每个样品到薄膜两侧边缘的距离；

第四步：放置样品，选择合适工作模式，方法如下：

将制备好样品放置于样品台上，样品台距第二直角光阑距离为10cm，根据实验条件选择工作模式，首先确定是否选择X射线聚焦模式，若选用X射线聚焦模式，将KB镜移入光路并准直；若选用非X射线聚焦模式则将KB镜移出光路；其次确定样品室工作模式，若选低真空工作模式，即将样品室连接真空泵，对整个样品室进行抽真空处理；若选换气工作模式，即将样品室连接氦气瓶，控制释放氦气使样品室处于氦气保护之中；若选冷冻工作模式，即将样品先进行速冻处理，再迅速置于样品台上，接通氮气冷却喷头，对样品喷射氮气，使样品保持低温；本实例中，研究对象为纳米量级的纳米金单晶，样品尺寸较小，衍射能力较弱，本实施例中选用X射线聚焦、低真空工作模式，能量选用10KeV。将提前制备好的样品置于样品台上，连接真空泵和样品室真空阀，关闭样品室其他所有阀门，控制抽真空速率，直到整个设备真空度达到10^-6Torr。

第五步：优化实验参数，获取衍射数据：

本实施例中，单次曝光时间为0.2s，曝光次数为3000次，获取低分辨衍射信号；进一步调整X射线挡板位置，增加挡板遮挡直射光尺寸，延长单次曝光时间到50s，曝光次数为200次，获取高分辨衍射信号；分别将低分辨率衍射信号和高分辨率衍射信号的数据存储于连接的计算机中；其他参数设置和实验方法同实施例1步骤5相同；

第六步：转动样品，获取三维数据，参数设置和实验方法同实施例1步骤6相同；

第七步：数据处理及图像重建，方法同实施例1步骤7相同；

第八步：三维数据重建，方法同实施例1步骤8相同。

Claims (5)

1.一种多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置，其特征在于：所述装置沿光束前进方向依次共轴排列有：同步辐射X射线光源、波荡器、设置于电控旋转平台上的单色器晶体、X射线快门、第一升降平台和设置于其上的聚焦装置腔、真空管道、第二升降平台和设置于其上的多用途样品室、真空管道、第三升降平台和设置于其上的探测器、以及收集数据和控制电控平移台移动的计算机；其中所述聚焦装置腔在侧面设有一个用于内部设备调整的封闭门，其腔内沿光路前进方向依次共轴排列有：固定于角位移台和二维方向高精度平移台上的水平聚焦KB镜、固定于角位移台和二维方向高精度平移台上的垂直聚焦KB镜，所述多用途样品室顶端面和侧面分别设有一个密封门，室中沿光路前进方向依次共轴排列有：固定于二维方向高精度电动平移台上的针孔、第一直角光阑、第二直角光阑、能三维方向移转的样品台和可移动光电二极管，样品室顶部设有一个真空阀接口，接于真空泵，样品室底部一侧和样品室顶部另一侧各设一个换气接口，分别为进气口和出气口，正对样品台位置设置一个氮气冷却喷头，喷头的另一端连接于样品室顶部的液氮进口，所述第三升降平台上沿光路前进方向依次共轴排列有：X射线衰减器，固定于二维高精度电动平移台上的光电二极管，X射线挡板和置于高精度三维方向电动平移台上的X射线CCD探测器。

2.根据权利要求1所述多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置，其特征在于：所述单色器晶体为111晶面Si单晶；所述X射线快门响应时间为0.1-10ms，X射线穿透阈值不小于20KeV；所述针孔孔径范围为0.2μm-50μm，厚度不低于100μm；所述第一直角光阑和第二直角光阑均为边缘平整、洁净的硅窗，厚度不低于100μm，分别置于针孔之后10-30cm和40-60cm的位置；所述可移动光电二极管为硅X射线光电二极管，连接于信号放大器，探测X射线的通量；所述样品台由两个二维方向平移台和一个180°或360°旋转台组成，距离第二直角光阑的距离为1-20cm；所述X射线衰减器由一楔形铝片构成，楔形厚度范围为0.01mm-5mm；所述X射线挡板由边缘平整、厚度2-5mm的正方形不锈钢片组成，置于X射线CCD探测器前1-10cm；所述X射线CCD探测器为单光子响应液氮制冷CCD，距离样品台为10-500cm。

3.根据权利要求1所述多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置，其特征在于：所述聚焦装置腔和多用途样品室为透明设计，腔体由厚度为1.5-3cm的透明PVC板制得。

4.权利要求1所述多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置的应用方法，步骤为：

第一步：搭建同步辐射相干X射线衍射显微成像装置

上述装置沿光束前进方向依次共轴排列有：同步辐射X射线光源、波荡器、设置于电控旋转平台上的单色器晶体、X射线快门、第一升降平台和设置于其上的聚焦装置腔、真空管道、第二升降平台和设置于其上的多用途样品室、真空管道、第三升降平台和设置于其上的探测器、以及收集数据和控制电控平移台移动的计算机；其中所述聚焦装置腔在侧面设有一个用于内部设备调整的封闭门，其腔内沿光路前进方向依次共轴排列有：固定于角位移台和二维方向高精度平移台上的水平聚焦KB镜、固定于角位移台和二维方向高精度平移台上的垂直聚焦KB镜，所述多用途样品室顶端面和侧面分别设有一个密封门，室中沿光路前进方向依次共轴排列有：固定于二维方向高精度电动平移台上的针孔、第一直角光阑、第二直角光阑、能三维方向移转的样品台和可移动光电二极管，样品室顶部设有一个真空阀接口，接于真空泵，样品室底部一侧和样品室顶部另一侧各设一个换气接口，分别为进气口和出气口，正对样品台位置设置一个氮气冷却喷头，喷头的另一端连接于样品室顶部的液氮进口，所述第三升降平台上沿光路前进方向依次共轴排列有：X射线衰减器，固定于二维高精度电动平移台上的光电二极管，X射线挡板和置于高精度三维方向电动平移台上的X射线CCD探测器；

第二步：光路准直，净化

上述光路准直与净化包括KB聚焦镜组，针孔，直角光阑，X射线挡板和X射线CCD的准直与净化；选择内径为0.2-50μm的针孔，直角光阑选择厚度为0.1-2mm的硅片，分别置于针孔后10-30cm和40-60cm的位置，X射线挡板选用厚度为2-5mm的不锈钢板，置于X射线CCD探测器前1-10cm的位置；准直过程中，调整KB镜位置及角度，观察聚焦光斑大小，确定最适光斑的KB镜位置，调整针孔位置，使X射线通过针孔，并将可移动光电二极管置于针孔之后，通过调整针孔位置观测光电二极管读数，确定最佳针孔位置；将可移动光电二极管分别置于第一直角光阑和第二直角光阑之后，通过调整直角光阑位置和光电二极管读数，确定直角光阑最佳位置，对光路进行净化；移入衰减器，调整X射线CCD探测器位置，使X射线直射光打到X射线CCD探测器的中心像素；

第三步：样品制备及位置标定

选用无水乙醇稀释样品浓度至10-1000个/μl，用移液枪将1-10微升样品置于厚度为30-100nm，宽为1-3mm，长为2-5mm的SiN薄膜上，光学显微镜进行观察，对以样品位置为中心，半径不低于10μm的范围内干净的样品进行位置标定，确定每个样品到薄膜两侧边缘的距离；

第四步：放置样品，选择工作模式

将制备好样品放置于样品台上，根据实验条件选择工作模式，首先确定是否选择X射线聚焦模式，若选用X射线聚焦模式，将KB镜移入光路并准直；若选用非X射线聚焦模式则将KB镜移出光路；其次确定样品室工作模式，若选低真空工作模式，即将样品室连接真空泵，对整个样品室进行抽真空处理；若选换气工作模式，即将样品室连接氦气瓶，控制释放氦气使样品室处于氦气保护之中；若选冷冻工作模式，即将样品先进行液氮速冻处理，再迅速置于样品台上，接通氮气冷却喷头，对样品喷射氮气，使样品保持低温；

第五步：优化实验参数，获取衍射数据

根据样品标定位置，找到待测样品，同时调整样品台的位置及检测衍射信号强度，调整X射线挡板位置，使其在保证不超出X射线CCD探测器阈值的情况下减少遮挡范围，以单次曝光时间为0.1-1s，曝光次数为100-5000次，获取低分辨衍射信号；进一步调整X射线挡板位置，增加挡板遮挡直射光尺寸，延长单次曝光时间到10s-60s，曝光次数为20-500次，获取高分辨衍射信号；分别将低分辨率衍射信号和高分辨率衍射信号的数据存储于连接的计算机中；

第六步：转动样品，获取三维数据

确定计算机断层扫描三维重建算法所需要的投影数，根据投影数量计算所对应的角度，以0°为中心，分别正负角度旋转；每旋转一个角度，重复一遍步骤五；

第七步：数据处理及图像重建

将上步中每一个角度下测量的低分辨率和高分辨率衍射图样进行拟合处理，获取完整的衍射信号，用迭代算法进行图像重建；

第八步：三维数据重建，方法如下：

将上步中每一角度下衍射数据的重建图像，采用计算机断层扫描三维重建算法进行三维重建，最终获得测试样品的三维结构图。

5.根据权利要求4所述多用途同步辐射相干X射线衍射显微成像装置的应用方法，其特征在于：所述计算机断层扫描三维重建算法选等斜率断层扫描三维重建算法。