上海光源软X射线谱学显微光束线 新STXM的搭建计划和进展
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能很少用）
日本PF光源1台
背景介绍三：STXM方法的功能
• X射线成像（二维） • 透射NEXAFS（点谱） • 化学成分成像（堆栈） • 微细磁畴成像 • 偏振特性研究 • 纳米CT（生物样品低温）
该技术对样品进行空间二维扫描，获得高空间分辨率的图像。 化学衬度基于高能量分辨的近边X射线吸收精细谱(NEXAFS)技术。 通过扫描感兴趣的元素（或掺杂成分）吸收边附近的能量，获得该元素种类 （或掺杂成分）的特征吸收精细谱结构
能量范围: 250 … 2000 eV 波带片的焦距: 0.75 … 7.5 mm 样品环境: 超高真空(5*10-9 mbar) ，近常压和氦气环境 样品粗扫范围: 40 ( h) x 16 (v) mm2 样品精细扫描范围：: 120 (h) x 140 (v) µm2 分辨率 30 nm (取决于波带片或者condesor)
Labview控制
伺服电机 单色器
控制器EPICS控制策略
EPICS 控制 软IOC
EPICS 控制 OPI
EPICS 控制 命令行接口
DAQ VC++
以太网
EPICS平台 SynApps软件包
Motor模块
控制器（网口通信） PI E-712K162
压电陶瓷 波带片细调 样品台细调
编码器反馈 激光干涉仪
DAQ VC++
借鉴国际上已经做好的优 秀的软件
目前进展
目前已经完成设计工作和电机的选型，部
分部件已经到货
低温系统也正在有序推进 控制系统也在有序进行中
图1 BL08U1A线站用户成果（2009-2015）
图2国外光源最好相关线站比较(2013-2015)
背景介绍三：STXM国际发展现状
上海光源1台，台湾光源1台 美国ALS光源的11.02，5.3.1，5.3.2共3台，
Stanford 光源1台
加拿大光源CLS2台，1Fra bibliotek常温STXM，1台低温
Cryo-STXM
上海光源1台 ALS光源1台 NSLSII光源1台 MXAIV一台
瑞士光源（SLS）1台
德国Bessy1台，Bessy II 1台
英国钻石光源1台
法国Soley光源1台（有Cryo功能，不能做CT）
澳大利亚光源1台
韩国浦项光源（PAL）一台常温STXM（有Cryo功
嵌入式操作系统 内嵌快扫控制算法
EPICS平台 SynApps软件包 streamDevice模块
串口服务器
串口类控制器
EPICS控制软IOC
EPICS通道访问协议
EPICS动态数据库 EPICS记录支持层
内部扫 描机制
EPICS设备支持层 EPICS驱动支持层
EPICS 状态机
通信接口：ASCII命令，或者C/C++应用接口程序 控制器 被控设备
更高分辨的Ptychography实验取代目前常规的 STXM扫描模式
增加椭球聚焦镜系统，可以提高光通量，它还有
一个优势是焦点不随能量变，和波带片系统可以 在线切换
加入温度，磁场原位条件，特别是低温系统，
Cryo-STXM为生物样品提供一种特别的探测方法
新系统未来可以容易添加新的功能
设计指标
激光干涉仪系统
在精细扫描时，要保证样品和ZP的相对位移 控制在一定范围之内，需要采用激光干涉仪来实 现。当入射能量改变时，必须调整波带片纵向位 置使得聚焦点正好落在样品上。在调整波带片的 纵向位置这个过程中，会使得横向位置发生偏移。 一般来说，每扫描100m的距离会引起几十nm的 横向偏移。这个偏移会严重影响空间分辨率。这 个问题同样存在于样品的扫描过程中。因此必须 采用反馈校正系统来实时调整波带片和样品的扫 描。反馈量通过实验测定后输入到控制系统中去， 由系统进行自动修正。
反馈校正系统的主要功能如下： 绝对定位，定位精度<3nm 横向偏移校正，ZP和样品的相对位移<3nm 震动误差补偿
控制系统总体结构
EPICS 控制 软IOC
以太网
EPICS 控制 OPI
EPICS 控制 命令行接口
DAQ VC++
基于网口 的控制器
实验站
串口服务器
基于串口 的控制器
VME IOC
以太网
EPICS控制OPI
软件名称CSS-BOY: Control System Studio – Best OPI Yet
EPICS控制命令行接口
基本语言：Python 人机接口：Ipython 科学计算：NumPy 画图：matplotlib 数据存储：h5py
元数据+数据 大数据 共享容易 跨平台 快速I/O
步进电机 狭缝、镜箱等
光束线
*EPICS: Experimental Physical Industry Control System *IOC：Input and Output Controller *OPI：Operator Interface
*DAQ: Data Acquisition
EPICS控制
条光束线站中唯一一条在软X射线波段并利用了椭圆偏振波荡器的光 束线站，2009年4月通过国家验收，并于5月对用户开放,具有30纳米 高空间分辨率和在250eV附近接近18000的能量分辨率。
Intensity / a.u.
0.007 0.006 0.005 0.004
4s
0.003 0.002 0.001 0.000
STXM原理图
整体布局机械图
外部整体布局图
聚焦元件运动系统
聚焦元件运动本身可以X， Y，Z三个维度运动，另 外还含两部分： 1，波带片运动系统，包 含波带片的精细扫描,2， 椭球聚焦镜系统，包含 pitch和yaw的调节机构
样品运动机构
样品运动含三部分： 1， X，Y方向的粗扫
X方向粗扫，范围40mm Y方向粗扫，范围16mm 2，X，Y方向的压电精细扫描 范围120 (h) x 140 (v) µm2 3，转台，安装在二维压电电机上面的转台 范围360度，可拆卸方便做CT
探测器运动机构
由于最近几年发展迅猛的 PCDI方法或者新的软X射线 散射实验时需要先用PMT成 像，精确确定要扫描的区域， 然后在用CCD来做 Ptychography实验获得更高 精度的图像，所以采用了大 量程的X方向滑台200mm满 足四个探测器PMT，CCD， VLM，PD之间相互切换。探 测器本身可以做X，Y和Z三 个维度的运动
244
3d 4s
3d
4d
5d 6d 7d
4d 5d 6d 7d
246
248
250
Photon energy / eV
252
背景介绍二：线站成果
自2009年5月开始对用户开放运行以来，接待了国内外用户2000多人次，接收课 题906份，为用户提供了一个高能量分辨和空间分辨的研究平台，大大提升了国内 用户的研究水平，产出了一大批高水平的用户成果。截至2015年底，BL08U1线站 的用户发表文章已达164篇，其中SCI一区文章共34篇，包括PRL，nature子刊等一 区在内的重要杂志。用户成果的产出在国际同类线站中处于领先水平。
上海光源软X射线谱学显微光束线 新STXM的搭建计划和进展
报告人：张祥志 2017年11月21日
主要内容
背景介绍 方案设计
设计指标 运动机构：聚焦元件、级选光澜、样品和探测器 激光干涉仪系统 控制系统 真空系统 目前进展
背景介绍一：软X射线谱学显微光束线站
软X射线谱学显微光束线站是上海光源首批成功建造并对外开放的七
背景介绍四：SSRF STXM实验站现状
STXM实验站经过7年半的超负荷运行已经严重老
化、故障频发，整体运行效率显著下降，维修改 造迫在眉睫。
故障频发不能得到即时的修复，商业采购，美国
工程师需要时间过来
商业产品的保护性不利于自己的维护和升级改造
新系统的优势
新系统特别注重了CDI实验的需求，未来计划用
日本PF光源1台
背景介绍三：STXM方法的功能
• X射线成像（二维） • 透射NEXAFS（点谱） • 化学成分成像（堆栈） • 微细磁畴成像 • 偏振特性研究 • 纳米CT（生物样品低温）
该技术对样品进行空间二维扫描，获得高空间分辨率的图像。 化学衬度基于高能量分辨的近边X射线吸收精细谱(NEXAFS)技术。 通过扫描感兴趣的元素（或掺杂成分）吸收边附近的能量，获得该元素种类 （或掺杂成分）的特征吸收精细谱结构
能量范围: 250 … 2000 eV 波带片的焦距: 0.75 … 7.5 mm 样品环境: 超高真空(5*10-9 mbar) ，近常压和氦气环境 样品粗扫范围: 40 ( h) x 16 (v) mm2 样品精细扫描范围：: 120 (h) x 140 (v) µm2 分辨率 30 nm (取决于波带片或者condesor)
Labview控制
伺服电机 单色器
控制器EPICS控制策略
EPICS 控制 软IOC
EPICS 控制 OPI
EPICS 控制 命令行接口
DAQ VC++
以太网
EPICS平台 SynApps软件包
Motor模块
控制器（网口通信） PI E-712K162
压电陶瓷 波带片细调 样品台细调
编码器反馈 激光干涉仪
DAQ VC++
借鉴国际上已经做好的优 秀的软件
目前进展
目前已经完成设计工作和电机的选型，部
分部件已经到货
低温系统也正在有序推进 控制系统也在有序进行中
图1 BL08U1A线站用户成果（2009-2015）
图2国外光源最好相关线站比较(2013-2015)
背景介绍三：STXM国际发展现状
上海光源1台，台湾光源1台 美国ALS光源的11.02，5.3.1，5.3.2共3台，
Stanford 光源1台
加拿大光源CLS2台，1Fra bibliotek常温STXM，1台低温
Cryo-STXM
上海光源1台 ALS光源1台 NSLSII光源1台 MXAIV一台
瑞士光源（SLS）1台
德国Bessy1台，Bessy II 1台
英国钻石光源1台
法国Soley光源1台（有Cryo功能，不能做CT）
澳大利亚光源1台
韩国浦项光源（PAL）一台常温STXM（有Cryo功
嵌入式操作系统 内嵌快扫控制算法
EPICS平台 SynApps软件包 streamDevice模块
串口服务器
串口类控制器
EPICS控制软IOC
EPICS通道访问协议
EPICS动态数据库 EPICS记录支持层
内部扫 描机制
EPICS设备支持层 EPICS驱动支持层
EPICS 状态机
通信接口：ASCII命令，或者C/C++应用接口程序 控制器 被控设备
更高分辨的Ptychography实验取代目前常规的 STXM扫描模式
增加椭球聚焦镜系统，可以提高光通量，它还有
一个优势是焦点不随能量变，和波带片系统可以 在线切换
加入温度，磁场原位条件，特别是低温系统，
Cryo-STXM为生物样品提供一种特别的探测方法
新系统未来可以容易添加新的功能
设计指标
激光干涉仪系统
在精细扫描时，要保证样品和ZP的相对位移 控制在一定范围之内，需要采用激光干涉仪来实 现。当入射能量改变时，必须调整波带片纵向位 置使得聚焦点正好落在样品上。在调整波带片的 纵向位置这个过程中，会使得横向位置发生偏移。 一般来说，每扫描100m的距离会引起几十nm的 横向偏移。这个偏移会严重影响空间分辨率。这 个问题同样存在于样品的扫描过程中。因此必须 采用反馈校正系统来实时调整波带片和样品的扫 描。反馈量通过实验测定后输入到控制系统中去， 由系统进行自动修正。
反馈校正系统的主要功能如下： 绝对定位，定位精度<3nm 横向偏移校正，ZP和样品的相对位移<3nm 震动误差补偿
控制系统总体结构
EPICS 控制 软IOC
以太网
EPICS 控制 OPI
EPICS 控制 命令行接口
DAQ VC++
基于网口 的控制器
实验站
串口服务器
基于串口 的控制器
VME IOC
以太网
EPICS控制OPI
软件名称CSS-BOY: Control System Studio – Best OPI Yet
EPICS控制命令行接口
基本语言：Python 人机接口：Ipython 科学计算：NumPy 画图：matplotlib 数据存储：h5py
元数据+数据 大数据 共享容易 跨平台 快速I/O
步进电机 狭缝、镜箱等
光束线
*EPICS: Experimental Physical Industry Control System *IOC：Input and Output Controller *OPI：Operator Interface
*DAQ: Data Acquisition
EPICS控制
条光束线站中唯一一条在软X射线波段并利用了椭圆偏振波荡器的光 束线站，2009年4月通过国家验收，并于5月对用户开放,具有30纳米 高空间分辨率和在250eV附近接近18000的能量分辨率。
Intensity / a.u.
0.007 0.006 0.005 0.004
4s
0.003 0.002 0.001 0.000
STXM原理图
整体布局机械图
外部整体布局图
聚焦元件运动系统
聚焦元件运动本身可以X， Y，Z三个维度运动，另 外还含两部分： 1，波带片运动系统，包 含波带片的精细扫描,2， 椭球聚焦镜系统，包含 pitch和yaw的调节机构
样品运动机构
样品运动含三部分： 1， X，Y方向的粗扫
X方向粗扫，范围40mm Y方向粗扫，范围16mm 2，X，Y方向的压电精细扫描 范围120 (h) x 140 (v) µm2 3，转台，安装在二维压电电机上面的转台 范围360度，可拆卸方便做CT
探测器运动机构
由于最近几年发展迅猛的 PCDI方法或者新的软X射线 散射实验时需要先用PMT成 像，精确确定要扫描的区域， 然后在用CCD来做 Ptychography实验获得更高 精度的图像，所以采用了大 量程的X方向滑台200mm满 足四个探测器PMT，CCD， VLM，PD之间相互切换。探 测器本身可以做X，Y和Z三 个维度的运动
244
3d 4s
3d
4d
5d 6d 7d
4d 5d 6d 7d
246
248
250
Photon energy / eV
252
背景介绍二：线站成果
自2009年5月开始对用户开放运行以来，接待了国内外用户2000多人次，接收课 题906份，为用户提供了一个高能量分辨和空间分辨的研究平台，大大提升了国内 用户的研究水平，产出了一大批高水平的用户成果。截至2015年底，BL08U1线站 的用户发表文章已达164篇，其中SCI一区文章共34篇，包括PRL，nature子刊等一 区在内的重要杂志。用户成果的产出在国际同类线站中处于领先水平。
上海光源软X射线谱学显微光束线 新STXM的搭建计划和进展
报告人：张祥志 2017年11月21日
主要内容
背景介绍 方案设计
设计指标 运动机构：聚焦元件、级选光澜、样品和探测器 激光干涉仪系统 控制系统 真空系统 目前进展
背景介绍一：软X射线谱学显微光束线站
软X射线谱学显微光束线站是上海光源首批成功建造并对外开放的七
背景介绍四：SSRF STXM实验站现状
STXM实验站经过7年半的超负荷运行已经严重老
化、故障频发，整体运行效率显著下降，维修改 造迫在眉睫。
故障频发不能得到即时的修复，商业采购，美国
工程师需要时间过来
商业产品的保护性不利于自己的维护和升级改造
新系统的优势
新系统特别注重了CDI实验的需求，未来计划用