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一种软X射线显微成像探测器

阅读：292发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种软X射线显微成像探测器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种软 X射线显微成像探测器，包括腔体、荧光转换屏以及光电转换器件，腔体包括第一开口和第二开口，腔体内部设置有将自第一开口处入射的光反射至第二开口处的反射器件，光自第一开口向反射器件传播的方向与自反射器件向第二开口传播的方向之间具有第一夹角；荧光转换屏设置于第一开口处；光电转换器件设置于第二开口处，光电转换器件、荧光转换屏与腔体形成密闭空间。本发明避免了软X射线直接辐射到光电转换器件上，提高了探测效果，延长了光电转换器件的使用寿命，结构简单，易于实现。，下面是一种软X射线显微成像探测器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种软X射线显微成像探测器，其特征在于，所述软X射线显微成像探测器包括：
腔体，所述腔体包括第一开口和第二开口，所述腔体内部设置有将自所述第一开口处入射的光反射至所述第二开口处的反射器件，所述光自所述第一开口向所述反射器件传播的方向与自所述反射器件向所述第二开口传播的方向之间具有第一夹角；
荧光转换屏，所述荧光转换屏设置于所述第一开口处；以及
光电转换器件，所述光电转换器件设置于所述第二开口处，所述光电转换器件、所述荧光转换屏与所述腔体形成密闭空间。
2.根据权利要求1所述的软X射线显微成像探测器，其特征在于，所述腔体包括相互连通的第一腔体与第二腔体，所述第一开口位于所述第一腔体上，所述第二开口位于所述第二腔体上。
3.根据权利要求2所述的软X射线显微成像探测器，其特征在于，所述第一腔体与所述第二腔体的延伸方向之间形成第二夹角，所述第二夹角与所述第一夹角的大小相同。
4.根据权利要求1所述的软X射线显微成像探测器，其特征在于，所述第一夹角的范围介于30°-270°之间。
5.根据权利要求1所述的软X射线显微成像探测器，其特征在于，所述荧光转换屏为闪烁材料，所述闪烁材料包括硅酸钇镥、碘化钠、碘化铯、锗酸铋、碘化铯、陶瓷闪烁体或者塑料闪烁体。
6.根据权利要求1所述的软X射线显微成像探测器，其特征在于，所述荧光转换屏所在的平面与所述光的传播方向垂直，所述荧光转换屏的厚度介于10μm-100μm之间。
7.根据权利要求1所述的软X射线显微成像探测器，其特征在于，所述荧光转换屏的表面上设置有滤片。
8.根据权利要求7所述的软X射线显微成像探测器，其特征在于，所述滤片的可见光透过率小于1％，所述滤片的软X射线透过率不小于60％。
9.根据权利要求7所述的软X射线显微成像探测器，其特征在于，所述滤片的厚度介于
60nm-500nm之间。
10.根据权利要求7所述的软X射线显微成像探测器，其特征在于，所述滤片为铝、钛、铜、铁、金或者镍。
11.根据权利要求1或者7所述的软X射线显微成像探测器，其特征在于，所述反射器件的表面设置有光反射率不小于98％的反射薄膜。
12.根据权利要求1所述的软X射线显微成像探测器，其特征在于，所述光电转换器件为硅光电倍增器件。
13.根据权利要求1所述的软X射线显微成像探测器，其特征在于，所述腔体内还设置有第一聚焦透镜，所述第一聚焦透镜位于所述反射器件和所述光电转换器件之间。
14.根据权利要求1所述的软X射线显微成像探测器，其特征在于，所述腔体内设置有聚焦透镜组，所述聚焦透镜组包括设置于所述反射器件和所述光电转换器件之间且相互平行的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜。
15.根据权利要求1所述的软X射线显微成像探测器，其特征在于，所述第一开口处设置有调节光圈，所述调节光圈内部中空且具有透光孔，所述透光孔与所述荧光转换屏相对设置。
16.根据权利要求1所述的软X射线显微成像探测器，其特征在于，所述第二开口处设置有冷却部件，所述冷却部件向所述光电转换器件热传递。

说明书全文

一种软X射线显微成像探测器

技术领域

[0001] 本发明涉及显微成像技术领域，更具体地涉及一种软X射线显微成像探测器。

背景技术

[0002] 传统的光学显微成像技术采用可见光(波长范围390nm～700nm)进行成像，由于受到衍射极限的限制，分辨率很难达到200nm以下。电子显微镜成像技术采用电子进行成像，虽然分辨率提高，但是由于电子的穿透能力弱，无法穿透细胞对细胞内部进行三维成像；同时，电子显微镜成像时需要对生物样品进行诸如切片、脱水等处理，这无疑破坏了样品的内部结构信息，不可能对完整的含水细胞进行成像。

[0003] X射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，通常，波长小于0.1埃米的称超硬X射线，波长在0.1～10埃米范围内的称硬X射线，波长在10～100埃米范围内的称软X射线。近年来，软X射线逐渐地应用于显微成像技术中。相比于光学显微成像和电子显微镜成像技术，软X射线显微成像技术有着其独特的优势。

[0004] 软X射线显微成像技术采用波长远小于可见光波长的软X射线进行成像，理论上的极限分辨率可达到1.2nm；同时，在某些软X射线波长的区间内，比如波长2.3nm～4.4nm，能量284eV～534eV，蛋白质、脂类和其他含碳、氮化合物对光子的吸收比水高一个数量级，在该波段内水环境相对于生物样品透明，能通过自然衬度提供清晰的细胞图像。因此，软X射线显微成像技术所用样品通常不必进行脱水处理，观测时也无需处于高真空的状态，能够更好地展现生物体的自然状态，并给出定量的生物成像信息。进一步通过断层成像和三维重构技术，软X射线显微成像技术还能够获得细胞内部的三维精细结构。

[0005] 软X射线显微成像设备采用软X射线探测器以获取样品的结构投影数据，因此，软X射线探测器是影响设备成像效果的关键因素。软X射线探测器可以分为间接探测型和直接探测型，其中，间接探测型采用荧光屏、闪烁晶体等将软X射线转换成可见光，再通过与闪烁晶体耦合的光电转换器件进行探测，间接探测型具有高动态范围、宽能量覆盖范围、CCD芯片寿命长等优点；直接探测型则利用软X射线的光子与探测器芯片中耗尽层相互作用产生的电子空穴对实现探测，直接探测型具有空间分辨率高、灵敏度高等优点。比如，常见的直接探测型的软X射线波段的量子效率可达80％以上、像素尺寸在15微米以下。

[0006] 传统的软X射线探测器仍存在诸多问题，比如，传统的软X射线成像设备采用激光等离子作为光源，不仅软X射线波段辐射效率低，而且伴随着从可见光到X射线宽波段范围内的电磁辐射干扰，这些可见光、紫外线和X射线采用常规的光路设计难以进行清除，会对成像造成很大影响；同时由于软X射线显微成像仪器的光源强度较弱，传统的CCD探测器通过长时间曝光来获取成像图片，采用激光等离子产生的软X射线是一种持续时间很短的周期性脉冲，在这段曝光时间内，软X射线的有效持续时间所占比例很小，造成了大量的噪声积累，降低了成像信噪比。其次，传统的软X射线探测器采用直接探测型CCD进行探测，CCD芯片裸露在外，容易被灰尘、飞溅物等染，造成损坏；因此，需要额外配备滤片，滤片一般由几百纳米厚的金属薄膜构成，采用金属网作为支撑，很容易损坏。再次，传统的软X射线成像探测器无法避免较高能量的X射线直接辐射在CCD芯片上面，不仅会产生噪声干扰，长时间使用还会损坏芯片。另外，设备还需要额外配备光圈、遮光筒等光学器件，使用起来十分复杂，无法避免漏光现象产生。

发明内容

[0007] 本发明的目的是提供一种软X射线显微成像探测器，从而解决上述至少一种问题。

[0008] 本发明提供的软X射线显微成像探测器，该软X射线显微成像探测器包括腔体、荧光转换屏以及光电转换器件，腔体包括第一开口和第二开口，所述腔体内部设置有将自所述第一开口处入射的光反射至所述第二开口处的反射器件，所述光自所述第一开口向所述反射器件传播的方向与自所述反射器件向所述第二开口传播的方向之间具有第一夹角；所述荧光转换屏设置于所述第一开口处；所述光电转换器件设置于所述第二开口处，所述光电转换器件、所述荧光转换屏与所述腔体形成密闭空间。

[0009] 根据本发明的一个实施例，所述腔体包括相互连通的第一腔体与第二腔体，所述第一开口位于所述第一腔体上，所述第二开口位于所述第二腔体上。

[0010] 根据本发明的一个实施例，所述第一腔体与所述第二腔体的延伸方向之间形成第二夹角，所述第二夹角与所述第一夹角的大小相同。

[0011] 根据本发明的一个实施例，所述第一夹角的范围介于30°-270°之间。

[0012] 根据本发明的一个实施例，所述荧光转换屏为闪烁材料，所述闪烁材料包括硅酸钇镥、碘化钠、碘化铯、锗酸铋、碘化铯、陶瓷闪烁体或者塑料闪烁体。

[0013] 根据本发明的一个实施例，所述荧光转换屏所在的平面与所述光的传播方向垂直，所述荧光转换屏的厚度介于10μm-100μm之间。

[0014] 根据本发明的一个实施例，所述荧光转换屏的表面上设置有滤片。

[0015] 根据本发明的一个实施例，所述滤片的可见光透过率小于1％，所述滤片的软X射线透过率不小于60％。

[0016] 根据本发明的一个实施例，所述滤片的厚度介于60nm-500nm之间。

[0017] 根据本发明的一个实施例，所述滤片为铝、钛、铜、铁、金或者镍。

[0018] 根据本发明的一个实施例，所述反射器件的表面设置有光反射率不小于98％的反射薄膜。

[0019] 根据本发明的一个实施例，所述光电转换器件为硅光电倍增器件。

[0020] 根据本发明的一个实施例，所述腔体内还设置有第一聚焦透镜，所述第一聚焦透镜位于所述反射器件和所述光电转换器件之间。

[0021] 根据本发明的一个实施例，所述腔体内设置有聚焦透镜组，所述聚焦透镜组包括设置于所述反射器件和所述光电转换器件之间且相互平行的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜。

[0022] 根据本发明的一个实施例，所述第一开口处设置有调节光圈，所述调节光圈内部中空且具有透光孔，所述透光孔与所述荧光转换屏相对设置。

[0023] 根据本发明的一个实施例，所述第二开口处设置有冷却部件，所述冷却部件向所述光电转换器件热传递。

[0024] 本发明提供的软X射线显微成像探测器，通过将光路设计成具有一定角度的偏转避免了软X射线直接辐射到光电转换器件上，提高了探测效果同时延长了光电转换器件的使用寿命，还可以选择不同的光路长度以满足不同空间分辨率的成像需求。本发明进一步通过在荧光转换屏上设置滤片，可以提高软X射线的转化质量，同时保证滤片不容易损坏，避免产生漏光现象。另外，本发明结构简单，易于实现，节约成本。附图说明

[0025] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0026] 图1是根据本发明一个实施例的软X射线显微成像探测器的剖面示意图；

[0027] 图2是根据本发明另一个实施例的软X射线显微成像探测器的剖面示意图；

[0028] 图3是根据本发明又一个实施例的软X射线显微成像探测器的剖面示意图；

[0029] 图4是根据本发明另一个实施例的软X射线显微成像探测器的剖面示意图；

[0030] 图5是根据本发明又一个实施例的软X射线显微成像探测器的剖面示意图；

[0031] 图6是根据本发明另一个实施例的软X射线显微成像探测器的剖面示意图。

具体实施方式

[0032] 以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。

[0033] 需要说明的是，当部件/零件被称为“设置在”另一个部件/零件上，它可以直接设置在另一个部件/零件上或者也可以存在居中的部件/零件。当部件/零件被称为“连接/联接”至另一个部件/零件，它可以是直接连接/联接至另一个部件/零件或者可能同时存在居中部件/零件。本文所使用的术语“连接/联接”可以包括电气和/或机械物理连接/联接。本文所使用的术语“包括/包含”指特征、步骤或部件/零件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、步骤或部件/零件的存在或添加。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任意的和所有的组合。

[0034] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，而并不是旨在限制本申请。

[0035] 另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

[0036] 图1是根据本发明一个实施例的软X射线显微成像探测器的剖面示意图，由图1可知，本发明提供的软X射线显微成像探测器至少包括腔体10、荧光转换屏20、反射器件30以及光电转换器件40，其中，腔体10包括延伸方向之间呈一定角度的第一腔体11和第二腔体12，第一腔体11和第二腔体12相互连通并且端部分别设置有开口，第一腔体11的开口处设置有荧光转换屏20，第二腔体12的开口处设置有光电转换器件40，反射器件30设置于腔体
10内部并且位于第一腔体11和第二腔体12的连接处，反射器件30的位置可调从而使得自第一腔体11开口处入射的光可以通过反射器件30折射并穿过第二腔体12射到光电转换器件
40上。

[0037] 更具体地，腔体10可以采用能够屏蔽软X射线的材料制作，比如铅，腔体10的厚度可以按照相关防辐射标准选择，腔体10的第一腔体11和第二腔体12优选地制造为圆筒状，本领域技术人员应当理解，腔体10还可以制作为其它的形状，比如矩形截面管或者变截面管等，在此不再赘述。

[0038] 荧光转换屏20优选地采用能够将软X射线转换为可见光的材料，比如闪烁晶体，包括LYSO、NaI、BGO、CsI等；荧光转换屏20所在的平面与第一腔体11的延伸方向或者光的传播方向垂直，荧光转换屏20的形状优选地与第一腔体11的横截面的形状匹配，从而能够通过常规的密封工艺将荧光转换屏20固定于第一腔体11的开口处；荧光转换屏20的厚度优选地介于10μm-100μm之间，更优选地为20μm-50μm之间，从而使得荧光转换屏20可以有效地将入射的软X射线转换为可见光。

[0039] 进一步地，本发明提供的软X射线显微成像探测器还可以包括滤片21，滤片21设置于荧光转换屏20上，优选地采用镀膜工艺(比如真空镀膜工艺等)将滤片21镀于荧光转换屏20外表面上；滤片21优选地采用能够滤除可见光并且透过软X射线的材料，比如铝、镍等；滤片21的厚度优选地介于60nm-500nm之间，更优选地为100nm，从而使得滤片21可以有效地去除入射光中的可见光成分，透过绝大部分的软X射线。本领域技术人员应当注意的是，选择的滤片21应当使得软X射线透过率不低于60％，可见光透过率低于1％，具体透过率的测定为本领域技术人员常用的技术手段，在此不再赘述。采用在荧光转换屏20的表面进行镀膜制成滤片21，可以有效地利用荧光转换屏20作为支撑保护，使得滤片21不容易损坏，大大提高了使用寿命，同时采镀膜处理还可以使得滤片21完整覆盖荧光转换屏20，避免了漏光现象的产生。

[0040] 反射器件30优选地采用反射镜，反射器件30的表面可以设置反射薄膜，比如设置多层膜系材料的高反膜，反射薄膜的厚度和周期可以根据荧光转换屏20的峰值波长进行设计，目的是使得可见光反射率保持在98％以上，保证可见光的传播效率。反射器件30可以改变光路的传播方向，使得透过荧光转换屏20的一部分软X射线不会照射到光电转换器件40上，避免了噪声干扰和芯片损伤。

[0041] 光电转换器件40接收荧光转换屏20所转换并经过反射器件30反射的可见光，同时将这些可见光转换为电信号，电信号进一步通过与光电转换器件40连接的电子学系统传送至计算机进行处理，具体的信号处理属于本领域技术人员常用的技术手段，在此不再赘述。光电转换器件40优选地采用硅光电倍增器件(SiPM)，SiPM可以采用各通道独立读出的数字化设计工艺，在满足高灵敏度的同时，单像素尺寸在30微米以下，性能极佳。本领域技术人员应当注意的是，光电转换器件40的刷新频率应当与用于产生软X射线的等离子光脉冲的频率匹配，即光电转换器件40的刷新频率不小于等离子光脉冲的频率匹配，优选地二者频率相同以实现最佳的探测效率。

[0042] 在图1的实施例中，本发明提供的软X射线显微成像探测器还可以包括第一聚焦透镜50，第一聚焦透镜50安装于腔体10内且位于反射器件30余光电转换器件40之间，此时，荧光转换屏20与反射器件30之间的距离为L，反射器件30与第一聚焦透镜50的中心之间的距离为H，第一聚焦透镜50的中心与光电转换器件40之间的距离为S，通过调节L、H和S可以使可见光聚焦于光电转换器件40上，有利于提高光电转换器件40的信号转化效果。

[0043] 值得注意的是，当腔体10、荧光转换屏20和光电转换器件40安装完成后，腔体10的内部为密闭不透光的，这有利于提高荧光转换屏20所转换的可见光在腔体10内部的传递效率。

[0044] 图2为根据本发明另一个实施例的软X射线显微成像探测器的剖面示意图，图2的实施例与图1的实施例相比，相同或者相似的部件通过增加100的附图标记进行标示，在此仅描述与上一实施例相比不同的部分。在图2的实施例中，当软X射线光源所产生的软X射线穿过滤片121入射到荧光转换屏120时，荧光转换屏120将一部分软X射线转换为可见光，可见光沿着第一腔体111入射到反射器件130后发生折射的折叠角度α为60度，本领域技术人员应当注意的是，根据不同的光路传播需要和观察需要，光路的折叠角度α(即光从第一腔体111射到反射器件130后发生折射的总角度)优选地介于30°-270°之间。本领域技术人员应当注意的是，腔体100的实质是使得可见光的光路发生变化，使得光电转换器件不再位于软X射线的入射方向上，从而避免噪声干扰和芯片损伤，提高信号转化的质量，因此，腔体100的具体形状或者第一腔体以及第二腔体的形状不应成为本发明的限制，在此不再赘述。

[0045] 图3为根据本发明另一个实施例的软X射线显微成像探测器的剖面示意图，图3的实施例与图1的实施例相比，相同或者相似的部件通过增加200的附图标记进行标示，在此仅描述与图1实施例相比不同的部分。在图3的实施例中，软X射线显微成像探测器还可以包括调节光圈260，调节光圈260设置于第一腔体211的开口处，调节光圈260的内部为中空结构并且具有透光孔261，透光孔261的直径小于调节光圈260内部中空部分的直径，同时透光孔261正对滤片221和荧光转换屏220，透光孔261的直径可以根据需要选择不同的大小。软X射线光源产生的软X射线穿过样品后，调节光圈260可以有效去除其中的杂散光，使得经过样品的有效软X射线经过透光孔261入射向滤片221，防止折射光线的干扰。

[0046] 图4为根据本发明另一个实施例的软X射线显微成像探测器的剖面示意图，图4的实施例与图1的实施例相比，相同或者相似的部件通过增加300的附图标记进行标示，在此仅描述与图1实施例相比不同的部分。在图4的实施例中，软X射线显微成像探测器还可以包括冷却部件370，冷却部件370设置于第二腔体312的开口处，冷却部件370与光电转换器件340可以进行热传递以对光电转换器件340降温。冷却部件370应当具备至少低至-60℃的制冷能力以保证有足够能力降低光电转换器件340的热噪声。

[0047] 图5为根据本发明另一个实施例的软X射线显微成像探测器的剖面示意图，图5的实施例与图4的实施例相比，相同或者相似的部件通过增加100的附图标记进行标示，在此仅描述与图4实施例相比不同的部分。在图5的实施例中，第一聚焦透镜450和光电转换器件440之间另外设置了一个第二聚焦透镜451，第一聚焦透镜450与第二聚焦透镜451组成了聚焦透镜组，此时，荧光转换屏420与反射器件430之间的距离为L，反射器件430与聚焦透镜
450的中心之间的距离为H，聚焦透镜450的中心与第二聚焦透镜451之间的距离为M，第二聚焦透镜451与光电转换器件440之间的距离为N，通过调节L、H和M、N的大小可以使可见光更好地聚焦于光电转换器件440上，有利于提高光电转换器件440的信号转化效果。

[0048] 图6为根据本发明另一个实施例的软X射线显微成像探测器的剖面示意图，图6的实施例与图2的实施例相比，相同或者相似的部件通过增加400的附图标记进行标示，在此仅描述与图2实施例相比不同的部分。在图6的实施例中，腔体510包括相互连接的第一腔体511与第二腔体512，第一腔体511和第二腔体512相互连通并且端部分别设置有开口，其中第一腔体511的端部处设置第一开口，第二腔体512的端部处设置第二开口，第一腔体511的延伸方向的中心线通过虚线l1表示，第二腔体512的延伸方向的中心线通过虚线l3表示，反射器件530设置于第一腔体511与第二腔体512的连接处，反射器件530将自第一开口处入射的光反射至第二开口处，此时，光自第一开口向反射器件传播的方向与l1重合，光经过反射后的传播方向通过虚线l2表示，将光的入射方向l1与反射方向l2之间的夹角称为第一夹角α，将第一腔体511的延伸方向l1与第二腔体512的延伸方向l3之间的夹角称为第二夹角β，可以发现，在图6的实施例中，第一夹角α与第二夹角β的大小可以不同。为了方便观察，第二开口处的光电转换器件540以及聚焦透镜550所在的平面大致沿水平方向。

[0049] 本发明在使用时置于样品旁，荧光转换屏朝向样品放置，软X射线光源产生的软X射线穿过样品后，可以经过调节光圈上的透光孔入射到荧光转换屏，荧光转换屏将软X射线转换为可见光，可见光进一步在密闭的腔体内经过反射器件的反射射向光电转换器件，光电转换器件将可见光转换为电信号输出并进一步处理。本发明通过在荧光转换屏上设置滤片，可以提高软X射线的转化质量，同时保证滤片不容易损坏，避免产生漏光现象；本发明通过将光路设计成具有一定角度的偏转避免了软X射线直接辐射到光电转换器件上，提高了探测效果同时延长了光电转换器件的使用寿命，还可以调节光路的长度以满足不同空间分辨率的成像需求；另外，光电转换器件采用SiPM，有利于对电信号进行全数字化采样处理，不仅能够更好的匹配等离子光脉冲的频率，更在保证探测效果的同时节约了成本。

[0050] 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。即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。

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一种软X射线显微成像探测器

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