CN106483148B - 一种射线微探针的热台、热台装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射线微探针的热台，其包括：热台本体，其前壁和后壁上分别对应设有同轴的入射窗口和透射窗口，底部可安装在样品定位台上；加热器；样品夹持器，其套设于高发热面积比加热器内；加热器和样品夹持器均具有通光孔，所述通光孔与所述入射窗口和透射窗口同轴。本发明提供的射线微探针的热台可立式工作，样品温度梯度小。此外，该热台还可具有高透光率、腔体真空、易于对中、样品温度均匀性好、样品种类和形状适应性广、极限工作温度高等特性。此外，本发明还公开了一种热台装置及其实验方法。本发明提供的热台装置背散荧光探测效率高，为试样提供足够的可旋转角和探测角、周全的气氛保护和真空环境。本发明尤其适用于硬X射线微探针。

Description

一种射线微探针的热台、热台装置及其实验方法

技术领域

本发明涉及原位高温表征技术，尤其涉及射线微探针的热台、热台装置及其实验方法。

背景技术

长期以来，材料研究通常采用传统的科学直觉、“炒菜筛选”或“试错”方法进行，即根据大量的试验数据，对成分-工艺-结构-性能反复调整、试验，直到获得满意的材料为止。该方法具有相当大的盲目性，费时费力、成本高、效率低，日益成为社会发展与技术进步的瓶颈。近年来兴起的材料基因组计划拟通过整合高通量计算、高通量制备与快速表征以及数据信息库等三大技术要素来全面提高先进材料从发现到应用的速度，降低成本，其高效率必将在全球新材料产业发展中起到革命性的促进作用。其中的高通量样品制备与快速表征技术扮演着承上启下的关键角色。目前高通量样品制备已达到了一个较高的水平，材料基因组计划的主要挑战来自高通量表征。传统的材料表征方法和常用的实验装置大多不能满足材料研究对高通量表征的需求，开发一系列普适、精准、快速的表征装置和仪器对推广应用高通量实验技术至关重要。第三代同步辐射光源从红外至硬X射线宽光谱范围内均能实现高亮度微聚焦，同时还具有高准直和高纯净等优秀特性，从而能够很好地满足高通量组合材料样品所需的亮度和空间分辨率要求。其中的硬X射线微探针线站一般采用高亮度的波荡器光源，将单色光聚焦到微米、亚微米，样品处每平方微米光通量达到10¹¹光子/s以上，结合荧光、吸收谱、衍射、成像等方法，可在短时间内获得材料样品的元素分布、化学态、结构、密度分布等信息，配备高精度自动扫描平台，具有高空间分辨和高探测灵敏度，工作距离长以及可在大气和水环境下测量等优点，十分适合材料的高通量在线表征，如配备各种原位表征装置并与材料的高通量制备相结合，可显著提高材料的研发效率。

材料表征研究的主线是“成分-工艺-结构”的相关性。在材料制备中，决定材料相变和扩散快慢的温度和热处理时间是最重要的两个工艺参数。然而，以前常用的高温淬冷法并不能完全保留高温相时的结构特征，甚至有着本质的区别。将原位热处理与同步辐射微区表征技术相结合，在高温下直接进行具有时间分辨的原位检测是分析材料“成分-温度-时间-结构”相关性的最佳方法。要实现高温下硬X射线微探针的直接检测，必须拥有一个外形、尺寸、重量匹配现有硬X射线微探针自动扫描平台，并具有高X光透过率、气氛保护、便于样品对中和大探测角的高温热台。市场上最接近上述要求的产品就是显微热台，例如Linkam公司所生产的TS系列热台。虽然世界上已经有不少先进的同步辐射线站，如美国的APS，英国的Diamond，澳大利亚光源，欧洲的ESRF、Soleil和PETRA III等光源所属线站都使用了商用热台，但是以Linkam为代表的众多商用热台最初主要是针对光学显微观测而研发的，在如下几个方面仍然不能满足高通量硬X射线微探针表征装置的要求：

(一)X光透光率低

高通量X射线微探针表征的基本要求之一就是能够对样品进行扫描并高效检测荧光信号，从而获得元素的面分布信息。对透光率影响最大的就是窗口。低窗口的质量吸收系数与其所用材料的原子序数Z和出射X射线荧光的能量有关。一般说来，窗口吸收系数随X射线荧光的能量的减小、窗口厚度的增加和所用材料原子序数的提高而连续变大。窗口透光率低主要影响了低原子序数元素的检测。Linkam热台透光率最高的窗口由厚度为0.17mm的石英制成，对于能量低于5keV的X光，透光率几乎为零；对于6.40keV Fe KL3线，荧光透过率不足5％，更是难以检测原子序数低于Fe的Mn、Cr、V、Ti、Sc、Ca和K等众多重要元素。从原理上提高窗口的透光率看似很简单，就是减小窗口厚度，采用更低的原子序数材料，但是在技术上还存在很多问题，如强度、脆性、密封性、毒性以及耐高温性能等。质量吸收系数小、强度高、脆性低、密封性好、无毒以及耐高温性能佳为优选的窗口用材。而且，商用热台面向X射线表征用途未提供真空型号，多用氩气等气体(透光率高的氦气和氢气由于导热率高，易造成温度波动过大和外壁温度过高从而损害热台，使用温度十分受限)冲刷样品进行防氧化保护，一则保护效果有限，二则氩气对荧光的吸收也不容小视。未提供真空型号的一个重要原因是，为提高X光透光率和保证足够的探测立体角而采用的大尺寸超薄型窗口在安装密封和抽真空过程中容易破裂失效。因此，要解决透光率低的问题，除了窗口选材之外，还需结合其它解决途径，比如采用复合型窗口结构和抽空腔体气体使之达到足够高的真空度。

(二)样品对中难

所谓的样品对中为样品被测点对准X射线微探针焦点处的旋转中心的简称，是指先将位于样品下方的转台的转轴移动到光路上的X射线微探针焦点上，再通过电动位移台驱使样品的被测点直至其与微探针焦点重合。这样做有三个目的：(1)X射线微探针光斑在焦点处的尺寸最小，样品的被测点与微探针焦点重合可使检测获得最佳的空间分辨率。(2)由于被测点位于转台转轴上，当样品转动时被测点不会偏离检测光路，仍旧位于微探针焦点上，即样品被检测位置保持不变。这对于检测区为单晶或数量稀少的多晶样品尤其重要，因为用单色光检测时样品如不动则得到的衍射斑点过少而难以分析，此时需要样品在测试的同时旋转可收集到更多必要的衍射信息。(3)可以精确控制样品被测点到CCD探测器之间的距离。做衍射实验时，需要尽量保证样品被测点至CCD探测器的距离与标准样品至CCD探测器之间的距离一致。实验上常用显微镜图像对样法来控制。日常所用的长工作距离变焦显微镜的景深通常在数十微米以上，而此法的距离控制误差与其景深相当。光学显微镜对样法还存在两个弊端：一是显微镜和样品之间还隔着窗口和带孔热屏蔽挡片，它们的成像易造成样品位置的误判；二是在窗口选材上只能选择透明材料，对于铍窗等具有高透X光能力的不透明材料并不适用。通过后电离室扫描样品被测点的对中方法则可大幅提高距离控制精度并且可以避免样品位置的误判。在记录电动台扫描不同转角的样品被测点位置之后由数学公式计算精确校准的样品被测点旋转中心位置，只需如此反复数次即可将样品被测点至CCD探测器和标准样品至CCD探测器之间的距离误差控制在2-3微米以内，这无疑有益于提高衍射分析的精度。

同步辐射实验站的转台位于样品处下方，因而要求立式高温热台的底部不能有任何突出的接口。然而，商业高温热台通常上下左右均分布有不同的接口，包括电气接口、冷却水出入口和保护气体进出口等。这样是非常不便于通过电动台来调节旋转中心的。除此之外，高温热台未考虑在样品透射信号特征不明显的情况下如何定位的问题，如通过样品舱的旋转中心来辅助定位问题。

(三)样品温度梯度和均匀性问题

热台在校温中常出现显示反映出来的温度值与样品真实温度有较大差异，可多达几十甚至上百摄氏度，已经大幅超出了一般科学研究的容许度。主要原因从热力学上可以得到清楚的解释。热源与周界环境之间总会有一个温度梯度的关系存在，从热源发出的热量会向周边通过辐射、传导和对流散失。热台不像通常的井式、箱式加热炉是全封闭且有较厚保温材料，除了开设观测窗口之外，为保护热台周边的电机和探测器等设备以及人员安全，本体上还有循环水冷功能。当热台使用温度在1200℃以上时，其外壁仍低于80℃。由于高倍光学显微镜的工作距离通常不到10mm，样品表面离外壁的距离须小于10mm才能保证显微镜的正常观测，这意味着温度梯度在不足10mm的距离内高达上千摄氏度。这也必然要求商用显微热台的样品处于加热杯中的位置很浅，即样品表面离加热杯口的距离仅有几个毫米，因而散热较快。商用显微热台的加热器为电热丝简单环向缠绕于样品侧面而成，即主要从侧面对样品进行加热，且电热丝间距较大，致使其加热均匀性不佳。随着透射电镜制样设备在各大高校和科研院所的普及，科研人员可以较为容易地制备出直径小于3mm、厚度仅为数十微米的小样品；同步辐射硬X射线微探针的工作距离通常在100mm以上，而且具有2μm以下的焦斑，这为通过优化加热器的设计(减少加热丝片间距，增加样品背面加热面)，采用小样品，加深样品处于加热杯中的位置和降低样品与加热杯的热容比来改善样品温度均匀性，以及减小显示温度值与样品真实温度之间的差异创造了条件。

(四)背散荧光探测问题

除了热台本身的问题之外，硬X射线微探针实验站目前采用的荧光探测布局也非常不利于发挥热台的效能。K-B镜往前依次设置前电离室、狭缝和快门。在K-B镜后面紧跟着杂散光针孔阻挡器。K-B镜之后为样品点和多轴精密样品台所在位置。样品台之后为衍射CCD和后电离室、后置对样显微镜，它们并排安装在横向电动滑台上，主要用于衍射和透射XAFS实验。前置对样显微镜放置在与光束线夹角45°方向，用于样品定位。主要问题出在荧光探测器的摆放位置。目前的设置为荧光探测器的连接杆与光轴垂直，连接杆末端的探头工作面与光轴平行并从斜侧面对准样品，用来检测表面法线与入射光反方向呈45°夹角的样品发出的荧光。这样做必然要在热台的侧面增加一个窗口，而且样品只能45°放置，势必增大热台的尺寸，大幅降低样品的温度均匀性和极限温度以及测温的准确度。那么，将样品0°放置，即被测面与光轴垂直，通过在热台和KB镜之间安装正对样品被测面的荧光探头来探测样品被激发出的、与入射X光方向大致相反的背散荧光不失为一个好的解决办法。显然，问题(一)所描述的现有商业显微热台的X光透光率低的弊端也阻碍了对其内样品背散荧光的探测。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种射线微探针的热台，该热台可立式工作，样品温度梯度小。此外，该热台还可具有高透光率、腔体真空、易于对中、样品温度均匀性好等特性。

根据上述发明目的，本发明提出了一种射线微探针的热台，其包括：

热台本体，其内部具有腔体，所述热台本体的前壁和后壁上分别设有同轴的入射窗口和透射窗口，底部可安装在样品定位台上，所述热台本体可拆开和组装以打开和闭合所述腔体，其中入射窗口和透射窗口的设置可根据不同的探测角实验要求进行对调；

加热器，其设于所述腔体内；

样品夹持器，其套设于所述加热器内；

所述加热器和样品夹持器均具有通光孔，所述通光孔与所述入射窗口和透射窗口同轴。

本发明所述的射线微探针的热台，其热台本体的前壁和后壁上分别对应设有同轴的入射窗口和透射窗口，底部可安装在样品定位台上，所述通光孔与所述入射窗口和透射窗口同轴，从而满足立式安装的要求。本发明通过设置样品夹持器使得即使所述热台立式工作时样品也不会移动。此外，通常所述样品夹持器具有一定的高度和封闭性，使得位于样品夹持器底部的样品散热较慢，从而样品温度梯度小。

本发明所述的射线微探针的热台中，通常所述入射窗口和透射窗口形状尺寸相同并且相对对称设置。

需要说明的是，通常所述腔体的内部和外部之间还连接有为加热器提供电能、测温、抽真空、冷却热台本体等用途的管线，这种情况下，该管线通常安装在热台本体的侧壁和顶部，从而不影响热台底部安装在样品定位台上以及旋转，有利于样品对中。

进一步地，本发明所述的射线微探针的热台中，所述入射窗口和/或透射窗口的窗体为复合结构，包括相互复合连接的基底框架和薄膜。

上述方案中，复合结构既贴合了很多陶瓷材料的制膜工艺，又能通过基底框架加厚加强密封时窗口边缘的受力部位和减少抽真空时薄膜单独的受力面积，在获得超高的透光率的同时显著降低了大尺寸窗口薄膜破裂的概率。

更进一步地，上述射线微探针的热台中，所述基底框架材质为硅，薄膜材质为氮化硅、氮化硼、碳化硅、金刚石、石英、蓝宝石玻璃和复合增强聚酰亚胺等材质的其中之一。

上述方案中，在透光率满足测试要求的前提下，选用合适用材的窗口可提高特定能量段荧光测量的信噪比。其中，氮化硅薄膜强度非常高，无毒，膜厚可控制在1μm以下，X光透过率超高，对于3keV的X光透过率大于70％，且制备技术成熟，但脆性较大。硅基底框架拥有足够的强度和良好的导热率，起到支撑和保护薄膜以及散热的作用。

更进一步地，上述射线微探针的热台中，所述薄膜材质为氮化硅，所述薄膜厚0.5-1μm。

另外，基底框架可以为方形环状结构，在一种实施方式中，其厚100-300μm，内部尺寸(8-12)mm×(8-12)mm，外部尺寸(16-20)mm×(16-20)mm。

上述方案中，氮化硅薄膜和硅基底框架能够耐受900℃以上的高温。

进一步地，本发明所述的射线微探针的热台中，所述入射窗口和/或透射窗口的窗体为圆帽形，包括相互连接的帽沿和帽顶，所述帽顶为球面结构并且相对所述腔体朝外设置。

上述方案中，球面结构有两个主要作用：(a)当热台工作在真空状态时，增加受力面积，分解压力，避免窗口内陷；(b)拉远窗口与热源的距离，降低窗口热负载和温度。

更进一步地，上述射线微探针的热台中，所述入射窗口和/或透射窗口的窗体材质为铍。

上述方案中，所述铍通常为纯铍。铍窗表面通常涂敷特殊的可耐受500℃高温的高透光率防氧化涂层，而窗体由于水冷高导热合金强烈冷却作用和涂层的热反射作用，表面温度通常低于150℃，可有效防止铍窗的毒害作用。镀膜球面铍窗的直径通常小于25mm，厚度通常在0.25mm左右，对于3keV的X光透过率为40％。金属铍窗的透光率相对于超薄型氮化硅窗要低一些，且价格昂贵，但金属铍具有良好的加工性和耐震性，不易碎裂。

进一步地，本发明所述的射线微探针的热台中，所述入射窗口和/或透射窗口的窗体为多边形结构，所述前壁和/或后壁上具有和该多边形结构相适配的角槽，使得所述入射窗口和/或透射窗口的窗体的安装方位始终不变。

上述方案中，通常采用锁紧环旋进压紧窗口，此时多边形窗体的角受限，不随其转动，能够保证每次更换安装时窗体方位的一致性，也就是能保证测试时信号背底的一致性。

进一步地，本发明所述的射线微探针的热台中，所述加热器包括从内到外依次嵌套的耐热绝缘内衬、侧面和底部加热元件以及耐热绝缘外套。

上述方案相对于常规只在侧面缠绕电阻丝的加热方法，加热部位更全面，从而提高样品温度均匀性。

更进一步地，上述射线微探针的热台中，所述侧面和底部加热元件为鼠笼式电阻加热元件。

上述方案可以实现侧面和底部加热，同时，相对于常规缠绕电阻丝的加热方法，具有更高的发热面/间隙比值。以本发明的一个实施例为例，鼠笼式电阻加热元件侧面的发热条带蛇形弯折绕行，底部的发热条带回旋弯折并围绕底部中心的圆形通光孔呈中心对称分布，以串联方式形成一个上方敞口的、间隙均匀的杯形鼠笼状，发热条带不仅设有一个紧贴耐热绝缘内衬底部的环形加热面，而且发热条带的宽度是其间隙的数倍，拥有很高的发热面/间隙比值。上述方案既保证了从上方敞口处加载样品的便利性，又可获得更高的加热效率和均匀的温度场。

上述方案中，鼠笼式电阻加热元件可采用整体加工和分体加工两种方法进行加工。整体加工为先将一块圆片原料冲压成杯形，经退火去应力后再通过精密线切割或激光加工一体成形，成品表面平整光洁，但难度高。分体加工则先将一个圆片材料和两个矩形材料分别通过精密线切割或激光加工分别加工成一个底部回旋加热片和两个侧面蛇形加热片之后，通过焊接工艺和模具弯卷整形工艺连接成形，难度较低，但焊点处易出现缺陷和不平整现象。

更进一步地，上述射线微探针的热台中，所述耐热绝缘内衬、鼠笼式电阻加热元件以及耐热绝缘外套之间用耐热粘合剂填充。

上述方案中，依靠结构限位和填入鼠笼式电阻加热元件的发热条带间隙的耐热粘合剂，可防止距离很近的发热条带因热变形而相互接触导致短路事故。

更进一步地，上述射线微探针的热台中，所述鼠笼式电阻加热元件的材质为铂金属或铂铑合金，或者钽、钼、钨的其中一种金属或其合金。

上述方案中，发热材料优选不易氧化、经久耐用、加工性能好的铂金属或铂铑合金，也可选择钽、钼和钨等高温金属及其合金。

更进一步地，上述射线微探针的热台中，所述鼠笼式电阻加热元件两端的引线呈径向对称分布。

上述方案中，所述鼠笼式电阻加热元件两端的引线呈径向对称分布，除了作为加热电流进出的通路之外，还起到辅助定位加热器的作用。

更进一步地，上述射线微探针的热台中，所述耐热绝缘内衬的材质为氮化铝瓷或氮化铝-氮化硼复合陶瓷，耐热绝缘外套的材质为氧化铝瓷。

上述方案中，通常所述耐热绝缘内衬和耐热绝缘外套选用高温陶瓷材质，氧化铝瓷导热率较低，机械强度和耐高温性颇佳，适合用于耐热绝缘外套，而氮化铝瓷或氮化铝-氮化硼复合陶瓷具有较高的导热率和良好的耐高温性能，适合用于耐热绝缘内衬。其中，氮化铝瓷导热率最高，但耐高温性一般，适用于工作温度低于1370℃、对温度均匀性要求高的情形；氮化铝-氮化硼复合陶瓷相对于氮化铝瓷导热率稍低，但耐高温性能更好，适用于工作温度超过1370℃以上的情形。

更进一步地，上述射线微探针的热台中，所述侧面和底部加热元件和耐热绝缘外套的底部之间设有一隔热支撑块。

上述方案中，隔热支撑块用于隔热和屏蔽热辐射，以及限制电阻加热元件底部的位移和变形。所述支撑块通常具有锥形孔，该锥形孔的锥角与热台探测角大致相等。

更进一步地，上述射线微探针的热台中，所述加热器还包括一将所述样品夹持器封盖在所述加热器内的热辐射屏蔽罩。

上述方案中，所述热辐射屏蔽罩用于隔热和屏蔽热辐射，从而有效减少样品的散热。

更进一步地，上述射线微探针的热台中，所述耐热绝缘外套侧面具有一测温孔，该测温孔与样品表面平齐，并且当所述热台立式工作时该测温孔朝上。

上述方案中，所述测温孔可以插入热电偶，当热台立式工作时，热点偶的测温点利用自然重力从上往下贴近样品，无需粘合剂将热点偶末端粘牢在测温孔上即可准确测得样品温度，便于热点偶的灵活更换。

进一步地，本发明所述的射线微探针的热台中，还包括加热器夹紧调节机构，其将所述加热器夹紧悬空，从而使其与所述热台本体不直接接触。

上述方案中，加热器与热台本体不直接接触，从而降低了热台本体的散热负担。

进一步地，本发明所述的射线微探针的热台中，所述样品夹持器包括：

样品舱，其具有底部开有通光孔的样品定位槽；

样品紧固环，其套设于所述样品定位槽内并通过一压紧力压紧，以将样品压紧在所述样品紧固环和所述样品定位槽的底部之间。

上述方案中，所述压紧力可以通过相应的压杆提供。

更进一步地，上述射线微探针的热台中，所述样品定位槽由一双环结构的内环形成，该双环结构的外环与内环之间设有加强筋。

上述方案中，加强筋可以防止变形，还可以作为放入和取出样品夹持器时镊子的夹取部位。

更进一步地，上述射线微探针的热台中，所述双环结构上开设有同轴拱门口。

上述方案中，所述同轴拱门口用于进出毛细管封装样品和条带样品。

更进一步地，上述射线微探针的热台中，所述样品紧固环的底部沿直径方向分别开设有若干对样品定位缺口。

上述方案中，所述样品定位缺口用于固定毛细管封装样品。

更进一步地，上述射线微探针的热台中，所述样品紧固环的顶部与所述样品定位缺口中某对的轴线平行的径向两端具有盲孔。

上述方案中，所述盲孔用于识别样品定位缺口的位置，还可用于样品压杆的辅助定位。

更进一步地，上述射线微探针的热台中，所述样品舱可以设置为：外径为8mm，样品定位槽的直径为3.1mm，其底部通光孔的直径为1.2mm，样品定位缺口半径为0.25mm-0.5mm。

上述方案中，所述样品夹持器适用于如下形状和尺寸的样品：(1)圆片样品：φ(3-7)mm×(0.01-1)mm；(2)毛细管封装样品：外径φ0.25mm-φ1mm，长度2mm-7mm；(3)窄条带样品：长度2mm-7mm，宽度<1mm，厚度<0.5mm。

上述方案中，所述样品舱和/或样品紧固环的材料可以为铂合金或纯铂。铂合金或纯铂耐高温抗氧化、真空下不易挥发、经久耐用且具有高X光吸收系数。铂材料密度大，对X光吸收强，通光和挡光信号对比强烈，适合用于扫描找寻旋转中心。

进一步地，本发明所述的射线微探针的热台中，所述热台本体包括可拆卸密封连接并形成所述腔体的盖板和主体，所述盖板包括所述前壁或后壁，相应地，所述主体包括所述后壁或前壁。

上述方案中，通常所述主体内具有所述腔体的主要部分。设有入射窗口的壁为前壁，设有透射窗口的壁为后壁。

更进一步地，上述射线微探针的热台中，所述前壁和/或后壁上设有用于盛放窗体的圆形螺纹槽，该圆形螺纹槽边缘开设有与多边形结构窗体相适配的角槽。

上述方案中，当多边形结构窗体为正方形时，圆形螺纹槽内径大于正方形窗体的边长，而外径小于正方形窗体对角线的长度，圆形螺纹槽边缘相互垂直的直径方向上开有四个直角槽，使其正好能容纳正方形窗体，这种带有四个直角槽的圆形螺纹槽兼容圆形窗体、方形窗体和圆帽形球面窗体。

更进一步地，上述射线微探针的热台中，所述主体的侧面和底面的壁内具有一U型冷却通道，所述盖板的顶部具有一水平冷却通道，从而形成分层闭环冷却通道。

上述方案中，U型冷却通道和水平冷却通道物理上处于不同的层面，从热台的正面视图看似一个闭环，因此本发明中将其称为分层闭环冷却通道。所述冷却通道通常为水冷循环通道，其能保证热台本体和窗口处于安全的工作温度下。所述主体和和盖板通常均采用真空性能好的高导热合金制作。依靠高导热合金的高导热率，盖板心部的热量除了向上可以传导至位于盖板顶部的水平冷却通道之外，其两侧和下方还可以通过其边缘与主体的大面积紧密接触面，由主体的U型冷却通道带走。同样，主体顶部的热量也可通过热传导由盖板顶部的水平冷却通道带走。采用分层闭环冷却通道联合高导热合金壳体设计，可以节约冷却通道的占用空间的同时，实现均匀、强劲的散热。

更进一步地，上述射线微探针的热台中，所述盖板顶部具有突出结构，以容纳所述水平冷却通道。

上述方案中，所述突出结构可以是梯形截面结构，其厚度约为其余部位厚度的两倍，以便容纳其中的水平冷却通道，保证足够的冷却能力的同时减小热台的重量。

更进一步地，上述射线微探针的热台中，所述主体两侧壁分别具有与样品位于同一水平面的进气口和出气口，使气流路径直接经过所述加热器和样品。

上述方案中，所述主体和/或盖板的材质可以为铝合金、镀铬铜或铜合金中的一种。铝合金质轻，导热率尚可；铜及铜合金的导热率更高，冷却效果更佳，但密度较大使得热台较重。可根据具体实验要求进行取舍。

更进一步地，上述射线微探针的热台中，所述盖板和主体之间通过氟素橡胶密封圈密封，所述前壁和后壁与入射窗口和透射窗口的窗体之间通过硅橡胶密封圈密封。

上述方案中，通常所述密封圈材质耐受温度超过200℃。

此外，所述主体上可以设有真空测量备用接口，用于通过一转接管连接真空计以校对腔体内与真空泵上方管道的真空差别。由于将笨重的真空计直接连接在热台上将会妨碍在线实验过程中热台的运动，因此发明人考虑通过监测真空泵上方的管道的压力通过差值法间接测量热台腔体中的真空度。

本发明的另一目的是提供一种射线微探针的热台装置，该热台装置包括上述热台，并且能在不改动热台结构和尺寸的基础上有效进行背散荧光探测。

根据上述发明目的，本发明提出了一种射线微探针的热台装置，包括：

按射线入射方向依次排列的第一电离室、K-B镜、如权利要求1所述的热台以及衍射信号探测器和第二电离室；

荧光探测器，其位于所述热台和K-B镜之间，包括围绕其中心孔分布的若干荧光探测单元，所述中心孔处设有一消杂散光针孔器，所述荧光探测单元的工作面大致正对样品被测表面，用于收集入射射线轰击样品后发出的背散荧光信号。

本发明所述的射线微探针的热台装置，其通过以上所述的荧光探测器的设置，使得样品可以0°放置，从而能在不改动热台结构和尺寸的基础上有效进行背散荧光探测。采用若干荧光探测单元(多元荧光探头)能够提高荧光信号的接收立体角和计数效率。消杂散光针孔器(Pinhole)能够减弱甚至消除光路中杂散X光引起的背底信号，从而提高探测器的信噪比。更优地，通过采用X光高透过率窗口、大的热台探测角和高效多元硅漂移探测器(SDD)可使得热台装置获得更高的背散荧光探测效率。

上述热台装置中，作为一种实施方式，入射射线从入射窗口射入，依次经过热辐射屏蔽罩、样品紧固环到达样品处，然后经由样品舱和加热器底部的通光孔、透射窗口射出热台之外。热辐射屏蔽罩、样品紧固环、样品舱和加热器均设有通光孔，它们的通光孔孔径以样品为中心，依距离远近成比例增大。比例越大，热台的信号可探测角也越大。其中，样品舱底部的通光孔最小，在样品被测点信号特征不明显的情况下，其中心兼作辅助确定样品旋转中心的参考基准点。保持各部件的通光孔孔径不变，降低加热器的高度和减小热台厚度也能获得更大的热台信号可探测角。

进一步地，本发明所述的射线微探针的热台装置还包括样品定位台，所述样品定位台为六维样品定位平台，包括一转轴竖直设置的ω转台、转台下方的X、Y、Z三维位移台以及转台上方的X₁、Y₁二维位移台，用于实现样品的对中调节和扫描定位。

此外，本发明所述的射线微探针的热台装置还可以包括位于所述热台与样品定位台之间的快速转接板，其内有快速旋进旋出机构，可快速实现所述热台与样品定位台之间的连接和拆卸。

进一步地，本发明所述的射线微探针的热台装置还包括：

供气装置，其用于向所述腔体提供气氛保护气体；

真空泵机组，其用于对所述腔体进行抽真空；

冷却水循环机，其用于向所述冷却通道提供循环冷却水；

温控装置，其用于对样品温度进行控制。

上述方案中，供气装置能为样品测试提供高纯气氛保护或研究某些工艺气氛，如氮气等对材料的影响；真空泵机组能够使测试实验在真空环境中进行，或者在充入保护气体或工艺气体前，提供一个比较纯净的真空环境；冷却水循环机用于带走热台壳体的热量，使热台本体和窗口处于安全的工作温度下；温控装置与加热器连接，闭环精确地对试样的温度进行控制。

本发明的又一目的是提供一种射线微探针的热台装置的实验方法，该实验方法能实现试样的原位高温表征。此外，该实验方法还能方便、精确地进行对中。

根据上述发明目的，本发明提出了一种射线微探针的热台装置的实验方法，其包括以下步骤：

试样放置在样品舱中，样品舱放置在加热器中，通过加热器对其进行均匀加热；

对样品被测点进行对中；

入射射线依次经过第一电离室、K-B镜、消杂散光针孔、入射窗口照射在样品舱中的样品上；入射射线通过样品的透射信号或衍射信号经过透射窗口照射在第二电离室或衍射信号探测器上，第二电离室或衍射信号探测器对应收集透射信号或衍射/散射信号以对其进行后续分析；

入射射线照射样品激发的背向散射荧光信号经过入射窗口照射在荧光探测器上，荧光探测器收集所述背向散射荧光信号以对其进行后续分析。

本发明所述的射线微探针的热台装置的实验方法，其通过以上步骤获取透射信号或衍射/散射信号以及背向散射荧光信号以进行后续分析，从而实现试样的原位高温表征。

进一步地，本发明所述的实验方法中，所述样品被测点对中包括以下步骤：

通过X、Y、Z三维位移台驱动X、Y位移将转台的转轴移动至射线微探针的焦点上；

通过X₁、Y₁二维位移台和X、Y、Z三维位移台驱动X₁、Y₁和Z位移将样品被测点移动至焦点上。

在上述实验方法中，在记录扫描不同转角的样品被测点位置之后，计算校准的样品被测点旋转中心位置，如此反复数次即可将样品被测点的旋转中心至射线微探针焦点的距离控制在2μm以内。

本发明通过上述方案可以方便、精确地进行对中。

本发明所述的射线微探针的热台，其优点和有益效果包括：

(1)X光透过率高，能有效探测荧光能量在5keV以下的许多重要元素。

(2)便于样品对中。

(3)能够对试样均匀地加热，能够满足材料成分、晶体结构和近邻结构等信息的变温高通量表征要求。

(4)样品种类和形状适应性广，极限工作温度高(可达1500℃)。

本发明所述的射线微探针的热台装置同样具有上述优点与有益效果，此外，背散荧光探测效率高，为试样提供足够的可旋转角和探测角、周全的气氛保护和真空环境。

本发明所述的射线微探针的热台装置的实验方法能方便、精确地进行对中。

附图说明

图1为本发明所述的射线微探针的热台装置在一种实施方式下的结构图。

图2为本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的外观立体结构图。

图3为本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的正视图。

图4为图3的射线微探针的热台的底视图。

图5为图3的射线微探针的热台的侧视图。

图6为本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的近顶视斜轴测爆炸图。

图7为本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的带A-A剖面线的侧视图。

图8为图7的A-A向剖视图。

图9为本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的加热器的分解结构图。

图10为图9的加热器的组合结构图。

图11为本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的鼠笼式电阻加热元件的立体结构图。

图12为本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的鼠笼式电阻加热元件的侧面结构图。

图13为本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的鼠笼式电阻加热元件的底部结构图。

图14为本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的鼠笼式电阻加热元件的底部回旋加热片零件结构图。

图15为本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的鼠笼式电阻加热元件的第一侧面蛇形加热片零件结构图。

图16为本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的鼠笼式电阻加热元件的第二侧面蛇形加热片零件结构图。

图17为本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的加热器的斜轴测装配结构图。

图18为本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的带B-B剖面线的侧视图。

图19为图18的B-B向剖视图。

图20为图19的局部Ⅱ放大图。

图21为本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的调整夹的立体视图。

图22为图21的调整夹的一种角度的顶部视图。

图23为图22的调整夹的C-C向剖面视图。

图24为本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的样品夹持器的斜轴测爆炸图。

图25为本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的样品夹持器的装配结构的正视图。

图26为图25的样品夹持器的顶视图。

图27为图25的D-D向剖面视图。

图28为图27的立体视图。

图29为本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的窗体的正视图。

图30为图29的窗体的E-E向剖面视图。

图31为图29的窗体的侧视图。

图32为图31的窗体的F-F向剖面视图。

图33为本发明所述的射线微探针的热台在另一种实施方式下的窗体的立体视图。

图34为图33的窗体在热台上的装配图。

图35为本发明所述的射线微探针的热台装置在一种实施方式下的热台与样品定位台的装配结构图。

其中，附图标记说明如下：

A 入射X光B透射X光

100 硬X射线微探针热台

101 入射窗口 102进气阀

103 出气阀 104 盖板冷却水进口

105 盖板冷却水出口 106 主体冷却水进口

107 主体冷却水出口 108抽气口

109 真空测量备用接口盲板

110 主体 110a螺纹安装孔

110b “U”形水冷通道

111 盖板 111a横向水冷通道

112 加热电源电极

113 热电偶接线柱 115 开窗工具

116 窗口锁紧环 117 硅橡胶耐高温密封圈

118 方形窗体 119 氟素橡胶密封圈

120 屏蔽罩压杆 121 热辐射屏蔽罩

122 样品压杆 123 样品紧固环

123a 大定位缺口

123b 小定位缺口

123c 小圆盲孔

124 样品舱

125 陶瓷坩埚加热器

125a 高温陶瓷内衬

125b 鼠笼式电阻加热器

125c 电流引线

125d 高温陶瓷外套

125e 锥形孔隔热支撑块

125f 高温陶瓷绝缘管

126 测温孔 127 样品压杆调节螺柱螺母

128 屏蔽罩压杆调节螺柱螺母 129 调整夹

129a 扁圆形孔

130 紧固螺钉 131 隔热垫圈

132 热绝缘垫圈 133螺钉

134 螺钉

150 圆帽形球面窗体

200温控器 210 加热电源线

300 热电偶

400 冷却水循环机

500 样品

501 圆片样品 502 毛细管封装样品

601 旋片真空泵 602 涡轮分子泵

603 门阀 604真空计

605 放气阀

701 气瓶 702减压阀

703 流量计 704 气阀

801 第一电离室 I₀ 802 K-B镜

803 消杂散光针孔器(Pinhole) 804 第二电离室I₁

805 衍射信号探测器(CCD) 806 光束截止器(Beam stop)

807 背散荧光探头

900 电动六维样品定位台

901 Z轴位移台902X轴位移台

903 Y轴位移台 904 ω转台

905X1 轴位移台 906 Y1轴位移台

92 0快速转接板

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的射线微探针的热台、热台装置及其实验方法做进一步的详细说明。

图1显示了本发明所述的射线微探针的热台装置在一种实施方式下的结构。

如图1所示，结合参考图2，硬X射线微探针的热台100设于电动六维(X、Y、Z、ω、X₁、Y₁)样品定位台900上，其分别与温控器200、循环水冷机400、真空泵机组(包括旋片式真空泵601、涡轮分子泵602)以及工艺/保护气供气装置连接。其中，工艺/保护气供气装置包括依次导通连接的气瓶701、减压阀702、流量计703和气阀704，气阀704与热台100的进气口102导通连接，该供气装置能够给热台腔体供气，使其能够在工艺/保护气的环境下进行实验，以实现一些工艺气体(如N₂)对材料的影响研究和解决部分样品真空高温下易蒸发造成的污染问题。气阀704位于流量计703和热台100之间，便于气体保护模式和真空模式之间的切换。冷却水循环机400通过热台上的盖板快速插拔冷却水进口104和主体冷却水出口107，与热台内的冷却管路导通连接。盖板冷却水出口105和主体冷却水进口106通过一条较短的水管相连接。旋片式真空泵601和涡轮分子泵602通过门阀603与热台侧面的抽气口108导通连接，其能够保证热台腔体内部处于10^-1-10^-3Pa范围内的高真空度环境，复合真空计604设于门阀603与热台之间气路的垂直分支上，用以间接检测热台内的真空度。放气阀605与门阀603和热台的管路垂直连接，主要用于卸除真空开启热台以便换样和切换至充气(保护)模式。温控器200分别与热台内的加热装置以及一计算机连接，其采用闭环控制方式控制对加热装置的输出电流，将温度控制在室温–1400℃的工作温度内，最高不超过1500℃，其恒温精度为±1℃；温控器200不仅能够控制加热装置对试样500进行加热并在计算机上显示相关数据，还起到为加热装置输送电能的作用。

请继续参考图1，上述射线微探针的热台装置的实验方法包括以下步骤：试样放置在样品舱中，样品舱放置在加热器中，通过加热器对其进行均匀加热，在收集有用信号前对样品被测点进行对中。入射X光A依次经过第一电离室801、K-B镜802、消杂散光针孔803、入射窗口照射在热台内样品舱中的试样500上；入射X光A通过试样的透射信号B或衍射信号经过透射窗口，照射在第二电离室804或衍射信号探测器(CCD)805，第二电离室804或衍射信号探测器(CCD)805收集透射信号B或衍射信号以对其进行后续分析；入射X光A照射试样激发的背向散射的荧光信号经过入射窗口，照射在荧光探测器807上，荧光探测器807收集荧光信号以对其进行后续分析。热台之后的衍射信号探测器(CCD)805和第二电离室804，它们并排安装在横向电动滑台上。衍射信号探测器(CCD)805处于光路上时即可收集衍射和散射信号，将第二电离室804移入光路即可扫描样品位置和进行透射X射线吸收精细结构(XAFS)谱实验。做衍射实验时，将位于衍射信号探测器(CCD)805之前和热台100之后的光束截止器(Beam stop)806移入光路中，防止过强的透射光束直接轰击衍射信号探测器(CCD)805引起的损伤和避免掩盖微弱的衍射信号。荧光探测器807从侧面通过一与光轴垂直的连接杆将探头伸入光路，而探头的工作面大致正对样品被测表面。荧光探测器807为多元(≥2)硅漂移探测器(SDD)。更优地，其探头为中心处开孔并集成消杂散光针孔，具有很高信号接收立体角的多元(≥4)SDD固体荧光探头环形阵列；当采用4元探头时，信号接收立体角可大于0.6Sr。荧光探测器807从侧面架设在热台100之前和K-B镜802之后收集样品的背散荧光信号，可获得样品的元素面分布图像和进行荧光吸收谱学实验。综合地，通过荧光面扫描获得的元素面分布图像来选择感兴趣区进行一定温度下目标明确的衍射/散射和吸收谱学分析，可获取元素种类、含量和分布，以及晶体结构、氧化态、化学态和近邻结构等信息，对具有高度空间复杂性的物质和微米尺度的物质开展高空间分辨和高灵敏的变温研究。

图2显示了本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的外观立体结构。

如图2所示，为满足样品对中要求，热台采用立式布局。热台在外观上由主体110(本实施例中作为后壁)和盖板111(本实施例中作为前壁)合围而成。盖板111中心部位为窗口101，其顶部有一梯形突出，梯形突出的厚度约为其余部位的厚度的两倍，其内为水平横向水冷通道(即水平冷却通道)，其两端分别为冷却水进口104和冷却水出口105。盖板111顶部梯形突出的下方为厚度均匀的薄板，通过四颗螺钉133旋进紧固与主体紧密贴合。主体110在接口布局上顶部中间为加热电源电极112和热电偶接线柱113，两端为冷却水进出口106和107；进气口102和出气口103与入射窗口101中心位于同一水平面，对称安装于主体110两侧；抽气口108和真空测量备用接口109布置于主体110的侧面；主体110背部中心部位为与窗口101一样的窗口；主体110有两个螺纹孔110a(标示于图3)，通过螺钉从底部旋入可将主体110固定在快速转接板920上。快速转接板920内有快速旋进旋出机构，能够将热台快速地安装到电动定位台上和卸下。离线时，取下真空测量备用接口盲板109，通过一转接管连接真空计可校对热台内与真空泵上方管道的真空差别。由于将笨重的真空计直接连接在热台上将会妨碍在线实验过程中热台的运动，本热台装置通过监测真空泵上方的管道的压力通过差值法间接测量热台腔体中的真空度。

图3-图5显示了本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的三视图，其中图3为正视图，图4为底视图，图5为侧视图。

在本实例中，受光束高度的限制，窗口(样品)中心至热台底面的距离小于56mm。图4标示了本例中热台主体底面两个距离为25mm的M6螺纹安装孔110a。主体110的背部中心和盖板111中心均为用于盛放不同形状窗体的带角圆形螺纹槽，其内径大于方形薄膜窗体118的边长，而外径小于方形薄膜窗体118对角线的长度。圆形螺纹槽边缘相互垂直的直径方向上开有四个直角槽，使其正好能容纳方形薄膜窗体118。此设计有两个优点：1)这种带有四个角的圆形螺纹槽兼容圆形窗体、方形窗体和圆帽型球面窗体，适用面较广；2)当锁紧环116旋进压紧时，方形窗体118四角受限，不随其转动，能够保证每次更换密封圈117时窗体方位的一致性，也就是能保证测试时由窗体引起的信号背底的一致性。圆形螺纹槽的底面还加工了用于盛放密封圈的环形槽。窗体通过一顶面设有两施力孔116a的外螺纹窗口锁紧环116旋进压紧固定。与窗口锁紧环两施力孔116a相对应，矩形体开窗工具115的底部有两个圆柱形突起(见图6)。

图6显示了本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的沿光轴的分解结构。

如图6所示，假设入射X光从盖板心部的窗口射入，依次经过盖板窗口锁紧环116、方形窗体118、热辐射屏蔽罩121、样品紧固环123到达圆片样品501处，然后经由样品舱124和陶瓷坩埚加热器125底部的通光孔、主体背部中心的方形窗体118和窗口锁紧环116射出热台之外。窗口锁紧环116、热辐射屏蔽罩121、样品紧固环123、样品舱124和陶瓷坩埚加热器125均设有通光孔，它们的通光孔孔径以样品为中心，依距离远近成比例增大。比例越大，热台的信号探测角(接受角)也越大。热台所用的密封圈均由耐受温度超过200℃的材质制成。其中，硅橡胶耐高温密封圈117用于密封窗口，氟素橡胶密封圈119用于盖板与主体之间的密封。

图7为本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的带A‐A剖面线的侧视图。图8为图7的A‐A向剖视图。

如图7和图8所示，热台采用分层闭环水冷通道(一种分层闭环冷却通道)联合高导热合金材质壳体设计，用于实现均匀、强劲的散热。热台主体近侧面和近底面的壁内设有一“U”型水冷循环通道110b(一种U型冷却通道)，盖板顶部则设有一横向水冷通道111a。主体的“U”型水冷循环通道110b和盖板的横向水冷通道111a(一种水平冷却通道)空间上处于不同的层面，从热台的正面视图看似一个闭环，即为本发明所谓的“分层闭环水冷”技术。在材质上，主体和盖板均采用真空性能好的高导热合金来制作。依靠高导热合金的高导热率，盖板心部的热量除了向上可以传导至位于盖板顶部的横向水冷通道之外，其两侧和下方还可以通过其边缘与主体的大面积紧密接触面，由主体的“U”型水冷通道带走。同样，主体顶部的热量也可通过热传导由盖板顶部的横向水冷通道带走。因此，依靠分层闭环水冷通道和高导热合金壳体材质，可以节约冷却通道的占用空间的同时，实现均匀、强劲的散热，能够保证窗口和外壳处于安全的工作温度下。主体和盖板的材质可选用高导热铝合金、镀铬铜或铜合金。铝合金质轻，导热率尚可；铜及铜合金的导热率更高，冷却效果更佳，但密度较大。可根据实情进行取舍。

图9显示了本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的加热器的分解结构。图10以另一视角显示了图9的组合结构。

如图9和图10所示，上方敞口、底部带有通光孔的陶瓷坩埚加热器125从内到外由高温陶瓷内衬125a(一种耐热绝缘内衬)、高发热面积比鼠笼式电阻加热元件125b和高温陶瓷外套125d(一种耐热绝缘外套)依次叠加，在它们之间及金属加热条带间隙中均匀填入高温无机粘合剂后粘牢而成。其中，填入金属加热条带间隙的无机粘合剂还具有防止距离很近的发热条带因热变形而相互接触短路的绝缘作用。目前，市场上的耐高温无机胶耐温已经达到了1800℃，完全能满足热台1500℃的最高工作温度。高温陶瓷外套125d的底部设有凸缘和通光孔。在鼠笼式电阻加热元件125b和高温陶瓷外套125d底部之间有锥形孔隔热支撑块125e，用于限制鼠笼式电阻加热元件125b底部的位移和变形，并且还具有隔热和屏蔽热辐射的功效。鼠笼式电阻加热元件125b两端的电流引线125c为径向对称分布，其靠近鼠笼式电阻加热元件125b一端套上高温陶瓷绝缘管125f，除了作为加热电流进出的通路之外，还起到了辅助定位加热器125的作用。

高温陶瓷外套125d优选机械强度和耐高温性颇佳的氧化铝瓷。高温陶瓷内衬125a则需较高的导热率和耐高温性能，优先选择氮化铝瓷或者氮化铝-氮化硼复合陶瓷。氮化铝有如下优点：(1)热导率高(约200W/m·K)，是Al₂O₃的5倍以上，结合高发热面积比加热元件可充分保证样品的温度均匀性；(2)热膨胀系数低(4.5×10^-6℃)；(3)各种电性能(介电常数、介质损耗、体电阻率、介电强度)优良，可长时工作温度至1370℃。氮化铝-氮化硼复合陶瓷则牺牲了部分热导率，但耐高温性能更佳。如AlN-15BN复合陶瓷的热导率仍然高达100W/m·K以上，且可耐受1750℃以上的高温。具体可根据实验对测试温度和温度均匀性的不同要求来进行取舍。

图11-图13分别显示了本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的鼠笼式电阻加热元件的立体结构、侧面结构以及底部结构。

如图11-图13所示，鼠笼式电阻加热元件侧面的金属发热条带蛇形弯折绕行，底部的金属发热条带回旋弯折并呈中心对称分布，以串联方式形成一个上方敞口的、间隙均匀的杯形鼠笼状，且底部中心设有一圆形通光孔。加热元件底部的圆形通光孔略大于样品舱的通光孔。采用串联金属发热条带利于降低输入电流和减小电源线直径。与商业上常见的用金属丝线螺旋或弯折缠绕于管壁的加热器不同，此加热器不仅在紧贴内衬底部处多了一个加热面，而且更为重要的是金属发热条带的宽度相对于间隙要宽许多，是其间隙的数倍，因此具有很高的发热面积比(发热面积比＝加热器导电发热面积/间隙面积)。这样设计既保证了从上方敞口处加载样品的便利性，又利于获得更高的加热效率和均匀的温度场。材料优选不易氧化、经久耐用、加工性能好的铂金属或铂铑合金，也可选择钽、钼和钨等高温金属及其合金。

图14-图16分别显示了本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的鼠笼式电阻加热元件的底部回旋加热片、第一侧面蛇形加热片以及第二侧面蛇形加热片。

鼠笼式电阻加热元件可采用整体加工或分体加工的方法进行加工。加工方法主要包括精密线切割、激光加工和模具弯卷整形等手段。整体加工为先将一块圆片原料冲压成杯形，然后通过精密线切割或激光加工一体成形。分体加工如图14-图16所示，先将一个圆片材料和两个矩形材料分别通过精密线切割或激光加工分别加工成一个底部回旋加热片和两个侧面蛇形加热片(其中一个作为第一侧面蛇形加热片，另一个作为第二侧面蛇形加热片)之后，依照焊接点连接关系通过焊接工艺和模具弯卷整形工艺连接成形，其中，电流引线端与第一侧面蛇形加热片C焊点连接引入电流，第一侧面蛇形加热片D点与底部回旋加热片E点对接，底部回旋加热片F点与第二侧面蛇形加热片G点对接，第二侧面蛇形加热片H焊点与另一电流引线端焊接导出电流。

图17显示了本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的加热器的斜轴测装配结构。

如图17所示(为简明起见，略去了热台内壁)，陶瓷坩埚加热器的电流引线125c的两端通过螺钉134固定在电源电极112头部上与之相连。热辐射屏蔽罩121由屏蔽罩压杆120压紧固定，屏蔽罩压杆120的高度由屏蔽罩压杆调节螺柱螺母进行调节；样品由样品压杆122间接压紧样品紧固环123(见图6)而固定，样品压杆122的高度由样品压杆调节螺柱螺母127进行调节。热辐射屏蔽罩121开有供样品压杆122出入的缺口。为了减轻热台主体的散热负担，陶瓷坩埚加热器125底部与主体110不直接接触，而是通过一对夹紧调节机构适度抬高留空并从两侧对中夹紧其底部凸缘。

图18为本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的带B‐B剖面线的正视图，图19为图18的B‐B向剖视图，图20为图19的局部Ⅱ放大图。

如图20所示，陶瓷坩埚加热器夹紧调节机构主要包括调整夹129、紧固螺钉130、隔热垫圈131和热绝缘垫圈132。调整夹129尾部设有扁圆形的位置调节孔，通过带槽的头部夹持加热器底部凸缘并调节对中定位后旋进螺钉紧固。调整夹129底部与主体内壁之间间隔一定距离，其尾部的紧固螺钉垫上隔热垫圈131和热绝缘垫圈132后与主体110背部连接。

图20还标示了热台的后探测角α。热台探测角定义为从样品中心发出的射线信号不受除薄膜窗体的任何物体阻挡的角度。本实施例的后探测角为60°，前探测角为30°。如需更大的前后探测角，可通过降低陶瓷坩埚加热器的高度和减小热台厚度达成。

图21为本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的调整夹的立体视图，图22为图21的调整夹的一种角度的顶部视图，图23为图22的调整夹的C‐C向剖面视图。

如图21所示，结合参考图22-图23，为了便于陶瓷坩埚加热器的对中准直，调整夹设有可沿径向移动调节加热器位置的扁圆形孔129a，其头部设有与加热器高温陶瓷外套底部凸缘相对应的槽口。此调整夹可选择耐高温、膨胀系数小的钼合金或殷瓦钢(invar)制作。

图24显示了本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的样品夹持器的分解结构。

如图24所示，样品夹持器包括样品紧固环123和样品舱124，此外图中还显示了毛细管封装样品502。样品紧固环123的底部沿十字交叉的直径方向开有两级缺口，构成一大一小的两对对管状样品定位缺口，用于固定较大管径范围的毛细管封装样品502。假设样品紧固环底部的半圆形大定位缺口123a半径为R，小定位缺口123b半径为R/2，则该样品紧固环适用于固定外管径为R/4-2R毛细管样品。大定位缺口123a适用固定的最小管径为R/2，最大管径为2R。小定位缺口123b适用固定的最小管径为R/4，最大管径为R。本实施例中，小定位缺口123b半径为0.25mm，大定位缺口123a半径为0.5mm，能够固定毛细管封装样品的外管直径范围为0.25mm–1mm。样品紧固环123的顶部与大缺口轴线平行的径向两端有两个小圆盲孔123c，除了用于区分大小定位缺口的位置，也可用于压杆的辅助定位。样品舱124为大小双环嵌套设计。内环围成圆片样品定位槽124a，圆片样品从该槽顶部装入，由样品紧固环123压紧于该槽底部。样品舱的双环从侧面还开有供毛细管封装和条带样品进出的同轴拱门口124b。因此，样品夹持器适用于圆片状、石英毛细管封装和窄条带等多种形状的样品。双环之间通过加强筋124c防止变形，底部中心设有通光孔，其余为无缝相连。加强筋还为镊子提供了夹持位置，便于将样品舱从陶瓷加热坩埚中取出。

图25为本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的样品夹持器的装配结构的正视图，图26为图25的样品夹持器的顶视图，图27为图25的D‐D向剖面视图，图28为图27的立体视图。

结合参考图25-图28，样品舱124的底部开有该热台最小的通光孔124d，样品紧贴此通光孔。本实施例中样品舱124的外径为8mm，其中的圆片样品定位槽124a的直径为3.1mm，其底部通光孔124d的直径为1.2mm，以适用于材料科研人员经常制备的直径小于3mm、厚度仅为数十微米的透射电镜样品。采用如此小的样品和样品舱的尺寸，可降低样品和加热器的热容比，有助于减小温控器显示温度值与样品真实温度之间的差异，从而降低使用过程中的误判概率。当校准样品旋转中心时，在样品被测点信号特征不明显的情况下，通光孔124d的旋转中心位置可作为参考基准点，用于辅助确定样品的旋转中心。样品紧固环123和样品舱124均优选铂合金或纯铂制作，一方面是这些材料不宜氧化、经久耐用、在高温真空环境中不易挥发和易于加工，而另一方面是铂材料密度大，对X光吸收强，通光和挡光信号对比强烈，非常适合用于扫描找寻旋转中心。

本实施例的样品夹持器适用于如下形状和尺寸的样品：

(1)圆片样品：φ(3–7)mm×(0.01–1)mm；

(2)毛细管封装样品：外径φ0.25mm–φ1mm，2mm<长度<7mm；

(3)窄条带样品：2mm<长度<7mm，宽度<1mm，厚度<0.5mm。

热台的透光率关键取决于窗口设计。采用低原子序数材料和减小窗体厚度是提高透光率两大主要途径。一些高分子材料，如聚酰亚胺薄膜，质轻，透光率佳，但强度低，真空下易变形内陷，再加上耐高温性差，因而并不适用于大探测角紧凑型真空热台的要求。陶瓷材料则强度高、耐高温性能佳，但透光性一般，只能选用超薄型窗体才能满足要求。然而满足大探测角要求的大型陶瓷超薄型窗体在安装密封和抽真空过程中很容易破裂失效。采用复合型窗体结构可有效解决此难题。

图29为本发明所述的射线微探针的热台在一种实施方式下的窗体的正视图，图30为图29的窗体的E‐E向剖面视图，图31为图29的窗体的侧视图，图32为图31的窗体的F‐F向剖面视图。

图29-图32显示了一种大型高透光率超薄型方形窗体118的结构，该结构既贴合了很多陶瓷材料的制膜工艺，又能通过基底支撑框架118b加厚加强密封时边缘的受力部位和减少抽真空时薄膜118a单独的受力面积，显著降低了大型高透过率窗体破裂的概率。118c为密封圈的紧贴部位。方形窗体的薄膜材料可选氮化硅、氮化硼、碳化硅和金刚石等。其中，氮化硅薄膜窗强度非常高，价格适中，技术较为成熟，可为优选用材。目前加工总宽度为20mm、薄膜有效透光宽度为10mm和厚度为1μm的氮化硅窗体已经不成问题。1μm厚的氮化硅窗对于3keV的X光透过率大于70％。本例中，氮化硅膜的厚度只有硅基底的1/200。为增加可视度，图15夸大了窗膜薄膜的厚度。

本实施例采用的大型高透过率氮化硅窗体具体参数如下:

氮化硅膜厚：0.5-1μm；

氮化硅膜透光窗口尺寸：9.5mm×9.5mm；

硅基底支撑框架厚度：200μm；

硅基底支撑框架外尺寸：18mm×18mm；

整个氮化硅窗包括硅框架能够耐受900℃以上的高温。

图33为本发明所述的射线微探针的热台在另一种实施方式下的窗体的立体视图，图34为图33的窗体在热台上的装配图。

如图33所示，在另一实施例中，窗体采用了圆帽形，帽顶为球面结构，为圆帽形球面窗体150。如图34所示，圆帽形球面窗体150安装在热台上，为简明起见只显示了垂直中分横截剖面的局部截面，左侧的箭头A代表入射射线及其方向。圆帽形球面窗体150的帽沿相对于球面帽顶为厚，同时安装在入射窗口和透射窗口上，球面对外，方向相反，有两个主要作用：(a)当热台工作在真空状态时增加受力面积，分解压力，避免窗口内陷；(b)拉远窗口与热源的平均距离，降低窗口热负载和温度。该窗体的的材质优选加工性能好的金属中X光透过率最高的纯铍。铍窗涂敷特殊的可耐受500℃高温的Dula高透光率防氧化涂层，而窗体由于水冷高导热合金强烈冷却作用和涂层的热反射作用，表面温度通常低于150℃，可有效防止铍窗的毒害作用。因为样品和样品舱的较小，本实施例采用直径小于25mm，厚度在0.25mm左右的小型镀膜球面铍窗。0.25mm厚的铍窗对于3keV的X光透过率为40％。金属铍窗的透光率相对于超薄型氮化硅窗要低一些，且价格昂贵，但金属铍具有良好的加工性和耐震性，不易碎裂，在镀防护膜后仍不失为一种好的选择。测温孔(热电偶插入孔)126朝上，与样品表面平齐，可使热点偶的测温点利用自然重力从上往下贴近样品，无需粘合剂将热点偶末端粘牢在测温孔上即可准确测得样品温度，便于热点偶的灵活更换。

当然，窗体用材还可考虑石英、蓝宝石玻璃和复合增强聚酰亚胺薄膜等。在透光率满足测试要求的前提下，选用合适用材的窗口可提高特定能量段荧光测量的信噪比。因为窗体因其成分和结构不同而产生不同的信号背底，如窗口某成分的荧光信号、某衍射包络峰位等可能与被测信息相重叠而产生干扰，此时跟换合适的窗体用料可避开此干扰。

图35显示了本发明所述的射线微探针的热台装置在一种实施方式下的热台与样品定位台的装配结构。

如图35所示，硬X射线微探针的热台100通过快速转接板920设于电动六维样品定位台900上，其前后炉壁上设有与光轴同轴共线的入射窗口和透射窗口。实验时，入射X光A从盖板心部的窗口射入。样品舱与加热器配套地设于硬X射线微探针的热台100的腔体内。精密电动六维样品定位台900包括一旋转轴ω竖直设置的转台904，以及转台904之下依次连接的Y轴位移台902、X轴位移台901和Z轴位移台903形成X、Y、Z三维位移台，转台904之上依次连接的X₁轴位移台905和Y₁轴位移台906形成X1、Y1二维位移台。快速转接板920位于Y₁轴位移台906之上，可通过其内的快速旋进旋出机构快速地安装固定在Y₁轴位移台906上和取下。电动六维样品定位台900主要用于调整硬X射线微探针的热台100的位置。X、Y、Z三维位移台能够使其上的转台904和硬X射线微探针的热台100等在X轴、Y轴、Z轴三个方向上移动，转台904能够使硬X射线微探针的热台100绕着转轴ω转动。通过精密电动六维样品定位台900可完成旋转中心调节和必要的扫描定位功能。样品对中的大致步骤为：先驱动X轴位移台901和Y轴位移台902将转台904的ω转轴移动至微探针的焦点上，再驱动X₁轴位移台905、Y₁轴位移台906和Z轴位移台903将样品被测点移动至焦点上。更精确地，在记录扫描不同转角的样品被测点位置之后由数学公式计算校准的样品被测点旋转中心位置，只需如此反复数次即可将样品被测点的旋转中心至X光微探针焦点距离控制在2μm以内。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (32)

1.一种射线微探针的热台装置，其特征在于，包括：

按射线入射方向依次排列的第一电离室、K-B镜、一热台以及衍射信号探测器和第二电离室，以及位于所述热台和K-B镜之间的荧光探测器；

所述热台包括：

热台本体，其内部具有腔体，所述热台本体的前壁和后壁上分别设有同轴的入射窗口和透射窗口，底部可安装在样品定位台上，所述热台本体可拆开和组装以打开和闭合所述腔体，其中入射窗口和透射窗口的设置可根据不同的探测角要求和实验目的进行对调；

加热器，其设于所述腔体内；

样品夹持器，其套设于所述加热器内；

所述加热器和样品夹持器均具有通光孔，所述通光孔与所述入射窗口和透射窗口同轴；

所述荧光探测器收集经过所述入射窗口的入射X光照射试样激发的背向散射的荧光信号以对其进行后续分析，所述荧光探测器具有从侧面通过一与光轴垂直的连接杆伸入光路的探头，该探头的工作面大致正对样品被测表面，用于收集入射射线轰击样品后发出的背散荧光信号，该探头的中心处开孔并集成消杂散光针孔，围绕该消杂散光针孔分布有若干荧光探头环形阵列，消杂散光针孔与样品之间的距离通过一螺旋推杆机构进行调节，以改善消杂散光效果。

2.如权利要求1所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述入射窗口和/或透射窗口的窗体为复合结构，包括相互复合连接的基底框架和薄膜。

3.如权利要求2所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述基底框架材质为硅，薄膜材质为氮化硅、氮化硼、碳化硅、金刚石、石英、蓝宝石玻璃和复合增强聚酰亚胺材质的其中之一。

4.如权利要求3所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述薄膜材质为氮化硅，所述薄膜厚0.5-1μm。

5.如权利要求1所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述入射窗口和/或透射窗口的窗体为圆帽形，包括相互连接的帽沿和帽顶，所述帽顶为球面结构并且相对所述腔体朝外设置。

6.如权利要求5所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述入射窗口和/或透射窗口的窗体材质为铍。

7.如权利要求1所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述入射窗口和/或透射窗口的窗体为多边形结构，所述前壁和/或后壁上具有和该多边形结构相适配的角槽，使得所述入射窗口和/或透射窗口的窗体的安装方位始终不变。

8.如权利要求1所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述加热器包括从内到外依次嵌套的耐热绝缘内衬、侧面和底部加热元件以及耐热绝缘外套。

9.如权利要求8所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述侧面和底部加热元件为高发热面积比鼠笼式电阻加热元件，鼠笼式电阻加热元件的侧面和底部具有发热条带，发热条带不仅设有一个紧贴耐热绝缘内衬底部的环形加热面，而且发热条带的宽度是其间隙的数倍，拥有很高的发热面/间隙比值。

10.如权利要求9所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述耐热绝缘内衬、鼠笼式电阻加热元件以及耐热绝缘外套之间用耐热粘合剂填充。

11.如权利要求9所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述鼠笼式电阻加热元件的材质为铂金属或铂铑合金，或者钽、钼、钨的其中一种金属或其合金。

12.如权利要求9所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述鼠笼式电阻加热元件两端的引线呈径向对称分布。

13.如权利要求8所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述耐热绝缘内衬的材质为氮化铝瓷或氮化铝-氮化硼复合陶瓷，耐热绝缘外套的材质为氧化铝瓷。

14.如权利要求8所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述侧面和底部加热元件和耐热绝缘外套的底部之间设有一隔热支撑块。

15.如权利要求8所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述加热器还包括一将所述样品夹持器封盖在所述加热器内的热辐射屏蔽罩。

16.如权利要求8所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述耐热绝缘外套侧面具有一测温孔，该测温孔与样品表面平齐，并且当所述热台立式工作时该测温孔朝上。

17.如权利要求1所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，还包括加热器夹紧调节机构，其将所述加热器夹紧悬空，从而使其与所述热台本体不直接接触。

18.如权利要求1所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述样品夹持器包括：

样品舱，其具有底部开有通光孔的样品定位槽；

样品紧固环，其套设于所述样品定位槽内并通过一压紧力压紧，以将样品压紧在所述样品紧固环和所述样品定位槽的底部之间。

19.如权利要求18所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述样品定位槽由一双环结构的内环形成，该双环结构的外环与内环之间设有加强筋。

20.如权利要求19所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述双环结构上开设有同轴拱门口。

21.如权利要求18所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述样品紧固环的底部沿直径方向分别开设有若干对样品定位缺口。

22.如权利要求21所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述样品紧固环的顶部与所述样品定位缺口中某对的轴线平行的径向两端具有盲孔。

23.如权利要求1所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述热台本体包括可拆卸密封连接并形成所述腔体的盖板和主体，所述盖板包括所述前壁或后壁，相应地，所述主体包括所述后壁或前壁。

24.如权利要求23所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述前壁和/或后壁上设有用于盛放所述入射窗口和/或透射窗口的窗体的圆形螺纹槽，该圆形螺纹槽边缘开设有与多边形结构窗体相适配的角槽。

25.如权利要求23所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述主体的侧面和底面的壁内具有一U型冷却通道，所述盖板的顶部具有一水平冷却通道，从而形成分层闭环冷却通道。

26.如权利要求25所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述盖板顶部具有突出结构，以容纳所述水平冷却通道。

27.如权利要求23所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述主体两侧壁分别具有与样品位于同一水平面的进气口和出气口，使气流路径直接经过所述加热器和样品。

28.如权利要求23所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，所述盖板和主体之间通过氟素橡胶密封圈密封，所述前壁和后壁与入射窗口和透射窗口的窗体之间通过硅橡胶密封圈密封。

29.如权利要求1所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，还包括样品定位台，所述样品定位台为六维样品定位平台，包括一转轴竖直设置的ω转台、转台下方的X、Y、Z三维位移台以及转台上方的X₁、Y₁二维位移台，用于实现样品的对中调节和扫描定位。

30.如权利要求1所述的射线微探针的热台装置，其特征在于，还包括：

供气装置，其用于向所述腔体提供气氛保护气体；

真空泵机组，其用于对所述腔体进行抽真空；

冷却水循环机，其用于向所述冷却通道提供循环冷却水；

温控装置，其用于对样品温度进行控制。

31.一种如权利要求1-30中任一项所述的射线微探针的热台装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

试样放置在样品舱中，样品舱放置在加热器中，通过加热器对其进行均匀加热；

对样品被测点进行对中；

入射射线依次经过第一电离室、K-B镜、消杂散光针孔、入射窗口照射在样品舱中的样品上；入射射线通过样品的透射信号或衍射信号经过透射窗口照射在第二电离室或衍射信号探测器上，第二电离室或衍射信号探测器对应收集透射信号或衍射/散射信号以对其进行后续分析；

入射射线照射样品激发的背向散射荧光信号经过入射窗口照射在荧光探测器上，荧光探测器收集所述背向散射荧光信号以对其进行后续分析。

32.如权利要求31所述的实验方法，其特征在于，所述样品被测点对中包括以下步骤：

通过X、Y、Z三维位移台驱动X、Y位移将转台的转轴移动至射线微探针的焦点上；

通过X₁、Y₁二维位移台和X、Y、Z三维位移台驱动X₁、Y₁和Z位移将样品被测点移动至焦点上。