2.1. 仪器的一般说明

TXM仪器，如图1所示的光学布局类似于可见光显微镜。X射线束通过由椭圆毛细管（Zeng）组成的聚光器聚焦到样品上等。, 2008). 此后，目标波带片（冯等。, 2007)在闪烁晶体上产生样品的放大图像。然后，使用显微镜物镜进一步放大产生的视觉图像，并由16位1024×1024 CCD相机捕获，以进行分辨率低至30 nm的成像。此外，TXM配备了一套相位环，以便在5 keV、8 keV和11 keV的固定X射线能量下以相同分辨率水平对Zernike相位控制成像。Zernike相位对比度的离散能量选择是由于（消色差）聚光器的环形照明与（彩色）物镜后焦平面中的相位环需要匹配。由于相位对比度通常不用于光谱研究，因此一组离散能量足以满足大多数感兴趣的实验。注意，Zernike相位对比度不是一种定量相位控制成像方法，已经提出了一些实现定量相位恢复的方法（Yin等。, 2007; 线路接口单元等。, 2011b条).

图1 的照片(一)厨房内的BSRF TXM和(b条)真空室内的TXM。1、实验室X射线源；2、检测器；3、冷凝器；4、针孔；5、样品阶段；6、波带板；7、可见光显微镜；8、相环；9、Bertrand透镜。

TXM还设计有一个机制，可以从同步辐射X射线源切换到旋转阳极实验室源。由于BSRF以寄生模式工作，并且仅在一年中的短时间内提供同步辐射，因此开发的双源概念延长了显微镜的可用操作时间。旋转阳极X射线发生器具有可切换的铜和铬靶，工作能量为8.0 keV（CuK（K）_α)和5.4keV（CrK（K）_α)分别是。样品和大多数光学部件（闪烁体、视觉放大系统和相机除外）位于真空室内，以减少能量范围下端的空气吸收，并允许进行需要特定大气条件的实验。仪器中共有五个具有优化参数的独立毛细管电容光学元件，可覆盖旋转阳极实验室光源和同步加速器光源的所有可用成像模式。安装了三个成像波带板，以覆盖5–12 keV的能量范围和TXM的不同成像模式。所有光学元件都是电动的，成像模式之间的配置更改都会自动执行。

在冷凝器前安装一个离子室，将曝光时间标准化为束流强度，束流强度在几个小时的时间尺度内衰减。为了在不成像时尽量减少样品的辐射暴露，在离子室后面安装了一个快门。快门可以由软件自动控制。

支撑台配备了被动减震装置，以隔离地板振动。根据调查，振动不是一个问题，正如所达到的分辨率所证明的那样（<30 nm）。

2.2. 波束线参数的选择

在BSRF TXM波束线上，多色辐射由单周期摆动器（Jiang等。, 1993)（波长移位器）4W1，带磁场强度1.8 T和临界能量7.5千伏。选择聚焦光束线方案，以最大限度地提高与TXM毛细管冷凝器的耦合效率。

TXM光束线和聚光镜系统的一般要求是，照明填充显微镜的光束接受度，定义为视野和物镜接受角的乘积（等于数值孔径的两倍）。对于第三代同步辐射源的束线，束流发射度（定义为束流大小和束流发散的乘积）通常小于TXM相空间接受度，至少在垂直面上，有时也在水平面上。通常的做法是选择光束线和TXM聚光镜的参数，使样品的照明角度与物镜波带板（临界照明）的数值孔径（NA）相匹配，并通过光栅扫描聚光镜均匀分布聚焦光束，平均损失相应通量。如下图所示，BSRF光源提供的相空间超出了显微镜的相空间要求，避免了对照明进行光栅扫描的需要。然而，请注意通量第一代同步加速器的显微镜视野仍远低于同样设计的第三代同步加速器光束线，这强调了对所有光学器件进行彻底设计的必要性。

在BSRF TXM的情况下，束线源的水平尺寸为2.46mm（H）×垂直尺寸为0.84mm（V）（FWHM），光束发散角为0.38mrad（H）和0.26mrad（V）FWHM。为了说明设计注意事项，我们首先计算可用光束线相空间与8keV X射线情况下显微镜所需相空间的匹配。光束线和TXM的光学布局如图2所示.

图2 (一)BSRF光束线和TXM的光学布局。(b条)水平聚焦方案。(c（c）)垂直聚焦方案。

如图2所示(一)，通过狭缝1的同步辐射X射线束由反射镜1垂直准直，然后由圆柱形弯曲反射镜2聚焦。在两个反射镜之间设置一个带有一对Si（111）晶体的双晶单色仪，并在5-12keV范围内调节X射线能量。作为次级光源，狭缝2设置在反射镜2的焦点处。菲涅耳波带板安装在样品位置之后，用作物镜成像透镜，在检测器上产生样品的放大图像。当使用实验室光源时，实验室光源冷凝器以~1的放大倍数照射样品。

对于分区板成像，当平行光束照射时，瑞利分辨率为

根据图3，如果照明是斜光束或空心锥形光束，则分辨率δ根据以下方程式，样品符合瑞利准则，

哪里（f）是带板焦距，D类是分区板直径，λ是X射线波长，2θ是从入射方向偏转到目标波带片远侧的角度（波带片数值孔径的两倍，θ=λ/Δ2R（右）_n个). 那么我们有

根据（3）对于最外层带宽度为40nm的物镜波带片，可以预期其空间分辨率为24-25nm。

图3 的插图(一)分区板成像(b条)波带板(c（c）)分区板数值孔径相关示意图θ，X射线波长λ和最外面的区域宽度ΔR（右）n个.

基于（2），如果我们想要30纳米的空间分辨率，我们必须有2个θ=3.05 mrad，8 keV X射线(λ=0.15纳米）。因此，对于20µm的视野，冷凝器在样品位置提供的所需相空间应等于20µmx3 mrad或60µm mrad。

对于同步加速器操作中的8keV聚光器，聚光器光学器件的去放大系数被选择为10，这转换为次级光源所需的200µm×0.3 mrad的相空间（光轴点位于狭缝2位置）。根据图4电容器必须从远离中心光轴的次级光源的每一点获得相同的相空间照明。因此，散度要求应扩大200µm/1820 mm=0.11 mrad（200µm是狭缝2的尺寸）。这导致在200µm×0.41 mrad的二次源处所需的总相空间，如下所示，可通过同步辐射源特性和光束线光学的选择来满足。反射式单毛细管冷凝器的斜率误差通常低于100µrad FWHM，对于约200 mm的工作距离，其转化为40µm以下成像平面的模糊。

图4 从狭缝2发出的X射线照亮冷凝器的示意图。通过狭缝的每个点的X射线需要照亮冷凝器的整个输入区域，以提供均匀的照明。

来自图2(b条)和2(c（c）)可以看到波束线的去放大因子在水平方向为31/11.8，在垂直方向为22/11.8。因此，我们计算出源处的必要相空间为525µm×0.156 mrad（H）和373µm×0.22 mrad（V）。BSRF-4W1源提供的相位空间水平为2460µm×0.38 mrad，垂直为840µm×0.26 mrad，如果反射镜不夹住光束发散，这很容易超出TXM的相位空间要求。

两个镜子上X射线束的入射角均选择为5 mrad，以覆盖计划的5-12 keV的工作能量范围。两个后视镜均涂有铑涂层，可在12 keV时将临界角度推至5.6 mrad。两个反射镜的长度都被选择为1000 mm，可用长度为900 mm，这将第一个反射镜垂直角度的接受度限制为0.20 mrad，刚好满足从光源截取的相空间的要求。由于光束在镜子1和2之间平行，第二个镜子也会拦截整个垂直光束。在水平面上，40 mm的镜子宽度比第二个镜子上4.84 mm的必要计算宽度大得多。

根据上述计算，狭缝1应设置为将光束的角发散垂直限制在0.2 mrad，水平限制在0.156 mrad，以消除光学元件上不必要的光束。

上述设计基于每个光学元件的理想条件。光学元件的缺陷（斜率误差）会在X射线束通过光束线和TXM的传播过程中增加其相空间，从而增加样品平面内照明的均匀性，但代价是通量密度。

2.3. 同时使用同步加速器和实验室光源的设计

作为一个寄生设施，BSRF用于用户操作的波束时间目前限制为每年三到四个月。为了充分利用该仪器，一种带有可交换铜和铬靶的实验室旋转阳极X射线源（Tkachuk等。, 2007)在BSRF-TXM中实现了70µm光斑尺寸。该光源位于手动操作台上，当同步加速器不提供X射线束时，可以将其插入光束路径（Wu等。, 2010).

为了将光束正确聚焦在相同的样品位置，设计了两种不同类型的冷凝器，一套用于同步加速器光束，另一套用于实验室光源，如图5所示。这些聚光镜的聚焦共轭有显著不同。在同步辐射束的情况下，二次源（狭缝2）和毛细管聚光器之间的距离为2 m，聚光器将光源的亮度降低10倍。对于实验室光源，聚光镜是1:1聚焦透镜，光源和样品之间的共轭距离仅为0.5 m。这是为了最有效地利用每个X射线源，适当填充样品平面上的大视场，同时提供高空间分辨率。

图5 实验室源电容器和同步辐射源电容器的设计。

2.4. 荧光能力设计

收集X射线荧光来自样品的信号已集成到仪器的设计中。根据所述设计，TXM冷凝器在样品位置照亮约20µm×20µm.的视野。尽管这种尺寸无法与许多同步加速器设施中现有的最先进的专用荧光仪器所获得的微米甚至亚微米光斑相媲美，但除了拍摄高分辨率图像外，用户还可以测量视场内的元素组成。此外，样品的光栅扫描可以提供粗分辨率X射线荧光扩展采样区域的地图。对于荧光操作，Si（Li）探测器（型号XR-100CR，Amptek）垂直于TXM光轴放置，作为EDS探测器，以通过弹性散射。该软件允许数据采集X射线荧光与TXM控制软件同时运行。

3.1. 光子通量

这个光子通量用离子室测量了狭缝2前光束线的约3×10¹⁰ 光子⁻¹在8keV下。在书写时，无法使用通常用于成像的狭缝设置在狭缝后进行测量。

对于15 nm像素大小的典型平场图像（无样本），我们测量每像素每秒约200个摄像头计数，而不进行像素装箱。使用每8keV X射线光子16个相机计数的校准（如之前使用大面积光子计数探测器测量的等效闪烁体/光学器件/相机设置），以及1400 nm厚双层波带板（Feng等。, 2007; 陈等。, 2008)，这导致总计光子通量大约100个光子⁻¹像素⁻¹在采样平面中。将此与通量共3×10¹⁰ 光子⁻¹在狭缝2之前，考虑到1024×1024像素的图像尺寸，狭缝/聚光镜系统对图像平面的有效传输约为3.5×10⁻³.部分损失通量是由于冷凝器上的狭缝和中央止动块故意堵塞所致（这是提供空心锥体照明所必需的，见图2对于所使用的冷凝器，约占冷凝器面积的80%），以及已知的约80%的冷凝器反射率。剩余的损失可能是由于照明在聚光镜光阑外部或样品平面的成像区域外部扩散造成的。

无像素拼接的典型曝光时间约为每二维90–120秒射线照片使用8keV同步辐射X射线。在同步加速器操作模式下（缩放曝光时间以匹配离子室电流），在每个视图90秒的条件下使用181张射线照片将导致全层析成像的总曝光时间约为5.5小时。根据实验要求，可以通过使用像素装箱来减少曝光时间，同时相应地降低像素分辨率。

通过比较平场图像中的摄像机数量，实验室光源及其专用电容器提供了约10%的通量样品平面上的同步加速器。

3.2. TXM空间分辨率

空间分辨率是通过用实验室X射线源和同步加速器束成像电镀金星图案来测试的。

在使用铜靶（8.0keV）的实验室源的情况下，使用最外层区域宽度为40nm的波带板对具有50nm最精细特征的西门子恒星进行二维和三维成像。在120°的角旋转范围内，共采集了121张连续射线照片，每张照片的曝光时间为900 s射线照片像素大小为15nm。使用滤波反投影算法进行层析重建。结果如图6所示表明实验室X射线源的二维和三维空间分辨率都达到了50nm，但受到铜的大光谱带宽的限制K（K）α发射，引入色差。

图6 (一)二维图像和(b条)西门子恒星分辨率测试目标的三维层析体绘制，具有50 nm的最佳特征，使用8 keV的实验室光源成像。

对于同步辐射束，在吸收和Zernike相位控制模式下测试了TXM的空间分辨率。图7(一)显示了在8keV下拍摄的恒星图案的吸收图像，图案中心的特征逐渐变细，最小特征尺寸为30nm。图7(b条)是一张Zernike相位控制图像，以8keV的相同恒星图案拍摄。图7(c（c）)显示了在8keV下拍摄的另一个恒星图案的吸收图像，中心最小特征尺寸为24nm。图7整个区域的更准确分析(c（c）)使用公认的技术（王等。, 2012; 易等。, 2011; 陈等。, 2011一,b条)径向功率谱密度（RPSD）如图7所示(d日)可以看出，样品的功率谱在19µm的空间频率处截止⁻¹对应于约52 nm的周期。因此，TXM空间分辨率通常由一半的空间周期（线宽）表示，可以得出26 nm的结论。

图7 在8keV下拍摄的图像，星形特征逐渐变细至30nm(一)吸收模式和(b条)Zernike相位控制模式。(c（c）)在吸收模式下以8keV拍摄的具有逐渐变细至24nm特征的星形图案的图像。(d日)RPSD分析(c（c）). RPSD是通过在40像素宽度上滚动图像边缘来创建的，以避免傅里叶变换的不连续性。

3.3. 荧光能力

X射线荧光分析提供高灵敏度的元素分析（Gordon，1982)从而可以研究微量元素在生物系统功能中的作用。根据图8所示的叶片扫描结果在狭缝2设置为200µm×200µm的情况下，样品平面上的聚光焦斑尺寸约为18.5µm x 17.5µm（FWHM），可以在获取图像的同时进行荧光映射实验。

图8 冷凝器焦点的叶片扫描结果(一)的x方向和(b条)的年方向，狭缝2设置为200µm×200µm。行1是原始数据，行2是原始数据导数的高斯拟合结果。

评估敏感性和检测极限的X射线荧光模式下，使用美国国家标准与技术研究所（NIST）的612号标准样品进行了痕量元素分析实验，其标称痕量元素浓度为50 p.p.m.。“元素荧光光谱”发射线系列，包括K（K）或L（左）系列，如图9所示，配备了PyMCA公司（索莱等。, 2007)由ESRF软件组免费提供，用于交互式数据处理。能量低于1keV的激发线无法以良好的信噪比检测到，因为吸收了约5cm的空气通道。请注意，荧光探测器前的5cm空气通道仅在测试荧光灵敏度时调试时存在。现在，荧光探测器可以放在整体上真空系统。拟合结果与NIST给出的元素相匹配（包括ArK（K）峰值2.9 keV，存在于空气中）。因此，我们得出结论，BSRF TXM的荧光灵敏度大大优于50 p.p.m，因为峰的分辨率非常好，表明感兴趣元素的低浓度仍然容易检测到。

图9 用BSRF TXM获取NIST标准样品612的荧光光谱，并用PyMCA公司软件。