实验站使用的STXM主要由光束聚焦系统、样品扫描系统、快速正比探测器、样品槽、控制系统与图形用户界面五部分组成。聚焦系统、样品槽、探测器均安装于一个真空腔内，工作时真空度为10-5-10-6 Torr或者氦气环境中。真空腔与光束线真空管道通过厚度为100nm的氮化硅窗加以隔离。它的实验原理如下图所示，利用波带片将入射的空间相干软X光聚焦成极小的斑点，形成微探针，利用微探针对样品进行逐点扫描，从而形成一幅完整的图像。在大多数情况下，成像分辨率取决于聚焦斑点的尺寸。
STXM原理示意图。正比计数器即光电倍增管(PMT)探测器
波带片成像光路图
如图所示，在该光路中，样品平面处于波带片的第一阶焦点上。该波带片相当于一个会聚透镜。焦斑的最小尺寸由波带片的最外环宽度决定。为了避免零阶光和其它不需要的衍射光照射到样品上，波带片的中心是不透明的，同时在波带片后的合适位置放置一个阶选光阑(OSA)，这样，样品上的非一阶辐射通量就可以降低到最小。
空间相干的软X射线光是由波荡器产生的准单色光通过单色器得到的。通常通过单色器后的软X射线的单色性非常好(Dl/l<10-3)。样品扫描台放置于波带片的焦点上，透过样品的X射线被后面的PMT探测。通过样品扫描台在X、Y方向上的二维运动对样品进行扫描，就可以得到样品的完整扫描图像。样品扫描台的扫描精度通常在nm量级，可扫描的范围在几微米到几百微米之间。为保证样品在高速扫描时仍能在纳米尺度上精确定位样品台位置实验站装备了一个高精度的激光干涉仪作为辅助。
STXM的一个重要优势就是操作非常灵活，通常具有几种实验模式。上述的扫描显微成像是其中一种模式。由于单色光的能量可以连续调节，因此STXM非常适合进行近边吸收谱(近边X射线吸收精细谱NEXAFS）研究。通过扫描感兴趣的元素吸收边附近的能量，获得该元素种类（或化学成分）的特征吸收精细结构谱；然后通过三维扫描（二维空间X、Y，一维能量E）图像，并加以适当的数据处理即可得到样品中该元素（或化学成分）的空间分布，用于揭示样品的化学性质，或作为存在特殊分子的标签。
