РЕНТГЕНОВСКИЙ МИКРОСКОП

РЕНТГЕНОВСКИЙ МИКРОСКОП

       

микроскоп, предназначенный для исследования микроструктуры объектов в рентгеновском излучении. Предел разрешения Р. м. может превышать разрешение световых микроскопов на 2—3 порядка в соответствии с отношением длин волн l рентг. и видимого излучений. Специфичность вз-ствия рентгеновского излучения с в-вом обусловливает отличие рентг. оптич. систем от световых. Малое отклонение показателя преломления рентг. лучей от единицы (меньше чем на 10-4) практически не позволяет использовать для их фокусировки линзы и призмы. Электрич. и магн. линзы для этой цели также неприменимы, т. к. рентг. излучение инертно к электрич. и магн. полям. Поэтому в Р. м. для фокусировки рентг. лучей используют явление их полного внеш. отражения изогнутыми зеркальными плоскостями или отражение их от кристаллографич. плоскостей (в отражательном Р. м.). Оказалось также возможным построить Р. м. по принципу теневой проекции объекта в расходящемся пучке лучей от точечного источника (проекционный, или теневой, Р. м.). Отражательный Р. м. содержит микрофокусный источник рентг. излучения, изогнутые зеркала-отражатели из стекла (кварца с нанесённым на него слоем золота) или изогнутые монокристаллы и детекторы изображения (фотоплёнки, электронно-оптические преобразователи). На рис. 1 приведена схема хода лучей в Р. м. с двумя зеркалами, повёрнутыми друг относительно друга на 90°. Получение высокого разрешения в таком Р. м. ограничивается малым углом полного внеш. отражения (угол скольжения <0,5°), следовательно, большим фокусным расстоянием (>1 м) и очень жёсткими требованиями к профилю и качеству обработки поверхностей зеркал (допустимая шероховатость =1 нм).

Рис. 1. Схема фокусировки рентг. лучей в отражательном Р. м. с двумя скрещенными зеркалами: ОО'-оптич. ось системы; А — объект, А'— его изображение. Увеличение О'А'/ОА.

Полное разрешение таких Р. м. зависит от l и угловой апертуры, не превышающей угла скольжения. Напр., для излучения с l=0,1 нм и угла скольжения 25' дифракц. разрешение не превышает 8,5 нм (увеличение до 105). При использовании для фокусировки рентг. излучения изогнутых монокристаллов, помимо разл. аберраций оптических систем, на качество изображения влияют несовершенства крист. структуры, а также конечная величина брегговских углов дифракции рентгеновских лучей. Проекционный Р. м. включает в себя рентг. источник со сверхмикрофокусом диаметром d=0,1— 1 нм, камеру для размещения исследуемого объекта и регистрирующее устройство. Увеличение М проекц. Р. м. определяется отношением расстояний от источника излучения до объекта (а) и до детектора (b):М=b/а (рис. 2). Линейное разрешение проекц. Р. м. достигает 0,1—0,5 нм. Геом. разрешение определяется величиной нерезкости (полутени) края объекта РГ, зависящей от размера источника рентг. лучей и увеличения М: PГ=Md. Дифракц. разрешение зависит от дифракц. френелевской бахромы на крае Pд=al1/2, где а — расстояние от источника до объекта. Поскольку а не может быть меньше 1 нм, разрешение при l=0,1 нм составит 10 нм (если размеры источника обеспечат такое же геом. разрешение). Контраст в изображении возникает благодаря различию в поглощении излучения разл. участками объекта. Этим различием определяется и чувствительность теневого Р. м.

Р. м. может быть оснащён разл. преобразователями рентг. изображения в видимое в сочетании с телевизионными системами.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

РЕНТГЕНОВСКИЙ МИКРОСКОП

Благодаря малой длине волны рентг. излучения Р. м. может достигать дифракц. разрешения порядка неск. десятков нм и по теоретич. величине разрешения занимает промежуточное положение между оптическим и электронным микроскопами. Он позволяет изучать не только распределение общей плотности вещества, но и распределение плотностей отд. хим. элементов по их характеристич. рентг. излучению (поглощению). В отличие от электронного микроскопа, Р. м. позволяет исследовать живые бпол. объекты.

По способу формирования изображения различают проекционный, контактный, <отражательный и дифракционный Р. м.; по принципу регистрации Р. м. можетбыть изображающим, образующим действительное пли теневое изображение объекта, <или сканирующим (растровым), к-рый регистрирует излучение от одного элементаобъекта, находящегося на оптич. оси микроскопа, а полное изображение (растр)создаётся при последоват. перемещении объекта относительно оси микроскопас помощью прецизионного механизма. Преимущества последнего способа регистрации- независимость разрешения от полевых аберраций оптич. системы и, следовательно, <отсутствие ограничений на величину поля зрения, а также меньшая радиац. <нагрузка на объект исследования.

Р. м. работает в широком диапазоне энергий рентг. квантов - от десятковэВ до десятков кэВ. В ДВ-части спектра наиб. важен участок длин волн 2,3-4,4нм, соответствующий т. н. «водяному окну», в к-ром достигается наиб. контрастмежду содержащим углерод органич. веществом живых клеток и жидкой цитоплазмой. <Р. м., работающие в КВ-части диапазона, применяют для исследований структурыразл. конструкц. материалов, содержащих элементы с большим ат. номером.

Проекционный рентгеновский микроскоп для наблюдения структурысамосветящихся объектов представляет собой камеру-обскуру (рис. 1,а), отверстиенаходится на малом расстоянии (S₁) от источника О и набольшом (S₂) - от регистрирующего экрана Э или детектора. <Увеличение такого проекционного Р. м. М= S₂/S₁, разрешение определяется диаметром отверстия d и условиями дифракции, <дифракц. предел составляет

Рис. 1. Схемы проекционных рентгеновских микроскопов для исследованияструктуры самосветящихся (а) и просвечиваемых (б) объектов; О - объект;И - источник излучения; Э - экран.

В просвечивающем проекционном Р. м. (рис. 1,б) микрофокусный рентг. <источник И создаёт теневое изображение объекта О на экране Э, регистрируемоена фотоплёнку или детектором телевиз. типа. Для источника конечного размера d разрешение такого Р. м. определяется суммой , где и в обычном случае составляет ~1 мкм. Недостатки проекционного Р. м.- малаяапертура и большая радиац. нагрузка на просвечиваемый объект.

Контактный рентгеновский микроскоп является предельным случаем проекционногоР. м. при S₂, равном толщине образца, к-рый устанавливаетсяв непосредств. контакте с фотоплёнкой или экраном. Этот метод иногда называютмикрорадиографией. Источник И устанавливается на значит. удалении от образцаО, причём размер и соответственно мощность источника могут быть значительнобольше, чем в случае проекционного Р. м. Разрешение зависит от толщиныобразца t и контраста между «тёмными» и «светлыми» деталями объекта, <в дифракц. пределе . Напр., при = 3 нм и t =3 мкм нм. Для регистрации изображений с таким разрешением используют фоторезисты, применяемые в фотолитографии и имеющие существенно более высокое собств. <разрешение (напр., для рсзиста ПММА - 5 нм). После проявления или травленияизображение объекта увеличивается с помощью электронного или оптич. микроскопа.

Отражательный рентгеновский микроскоп может быть и изображающим, и сканирующим, <с оптикой скользящего падения или нормального падения с многослойным покрытием(см. Рентгеновская оптика). Р. м. этого типа работают в области < 4 кэВ, рассматривается возможность осуществить эту схему Р. м. дляболее «жёсткого» излучения (в области -10 кэВ). Классич. тип отражательного Р. м. скользящего падения - микроскопКиркпатрика - Баэза, состоящий из пары скрещенных сферич. или цилиндрич. <зеркал (рис. 2). В этой схеме источник О и зеркала А и Б расположены такимобразом, что меридиональное О' и сагиттальное астигматические промежуточные изображения источника (см. Изображениеоптическое), создаваемые зеркалом А, были бы соответственносагиттальным и меридиональным изображениями для зеркала Б, к-рое благодаряобратимости объекта и изображения создаёт стигматическое увеличенное изображениеисточника в точке О ₁. Предельное дифракц. разрешениетаких ( - критич. <угол полного внеш. отражения). Для однородных покрытий , поэтому это отношение не зависит от и в области 0,1 << 4 кэВ для наиб. плотных металлич. покрытий (напр., платины) составляет5-7 нм. Реальное разрешение Р. м. Киркпатрпка - Баэза определяется сферич. <аберрацией и комой и обычно составляет 1 мкм. Оно может быть повышено толькоза счёт уменьшения размеров зеркал и, следовательно, светосилы, к-рая врезультате не намного превышает светосилу проекционного Р. м.

Рис. 2. Схема отражательного рентгеновского микроскопа скользящегопадения Киркпатрика - Баэза; О - источник (излучающий объект); А и Б -сферические или цилиндрические зеркала; О' и - промежуточные астигматические изображения; O₁ - действительноеизображение.

Значительно большей (на 2-3 порядка) светосилой обладают отражательныеР. м. скользящего падения с зеркальными системами Вольтера, из к-рых чащеиспользуется система гиперболоид-эллипсоид (см. рис. 2 в ст. Рентгеновскаяоптика). Теоретич. разрешение таких Р. м. на оптич. осп определяетсясоотношением , где М - увеличение, -угол скольжения, примерно равный % апертуры. Напр., для сканирующего Р. <м., дающего уменьшенное изображение источника в плоскости просвечиваемогообъекта с М =0,3 и , при =2,5 нм =5 нм. Реальное разрешение зависит от точности изготовления зеркал, имеющихглубоко асферическую форму, и составляет ~1 мкм; необходимая для получениятеоретич. разрешения точность (-1 нм) пока недостижима для совр. технологии. <Полевые аберрации отражат. Р. м. этого типа довольно велики и ограничиваютполе зрения до угл. величины ~ 1°. Использование многослойных интерференц. <покрытий позволяет увеличить угол q и тем самым повысить светосилу отражательногоР. м. скользящего падения.

Весьма перспективен отражательный Р. м. нормального падения по схемеШварцшильда, в к-ром используются зеркала с многослойным покрытием (рис.3).

Рис. 3. Схема отражающего рентгеновского микроскопа с зеркалами нормальногопадения по схеме Шварцшильда; И - источник; З ₁ и З ₂- зеркала с многослойным покрытием; О - объект; П - приёмник излучения.

Сканирующий микроскоп этого типа даёт уменьшенное изображение источникас помощью зеркал сферич. формы, расположенных почти концентрически. Длязаданных параметров: числовой апертуры А, коэф. уменьшения . и расстояния от источника до первого зеркала S - существуюттакие оптим. значения радиусов кривизны зеркал r₁ и r₂ и расстояния между ними, при к-рых сферич. аберрация, кома и астигматизмпрактически отсутствуют. Дифракц. разрешение на оптич. оси определяется, <как и для оптич. микроскопа, отношением ,при типичном значении А =0,3-0,4 в диапазоне = 10-20 пм оно составляет 30-50 нм. Достижение такого разрешения требуетточного изготовления зеркал и их взаимной юстировки с точностью порядка

В дифракционном рентгеновском микроскопе осн. элементом является зоннаяпластинка Френеля, к-рая для монохроматич. излучения представляет собойлинзу с фокусным расстоянием , где r₁ - радиус первой зоны Френеля,- длина волны, m - порядок спектра. Дифракц. разрешение зонной пластинкиФренеля определяется шириной крайней зоны:= 1,22,где п - номер крайней зоны. Светосила определяется диаметром Эффективность дифракции для зонных пластинок Френеля с амплитудной модуляциейсоставляет ок. 10% в первом, 2%- во втором и 1%- в третьем порядках спектра. <Дифракц. Р. м. обычно работает в области

< 1кэВ, т. к. для более жёсткого излучения тонкоплёночные зонные пластинкиФренеля становятся прозрачными.

Схема изображающего дифракц. Р. м. приведена на рис. 4. В качестве источниканаиб. часто используются синхротроны, накопит. кольца или ондуляторы, излучениек-рых предварительно монохроматизуют до спектральной ширины и с помощью конденсора направляют на образец О, устанавливаемый в плоскостидиафрагмы Д. Микрозонная пластинка (МЗП) даёт увеличенное изображение объектав плоскости детектора. Доза облучения образца существенно снижается в сканирующемдифракц. Р. м., в к-ром используется только одна фокусирующая зонная пластинка. <Дифракц. Р. м. обеспечивали (к 1991) наиб. высокое из всех Р. м. разрешение(~50 нм), к-рое определяется предельными возможностями технологии изготовлениязонных пластинок.

Рис. 4. Схема дифракционного рентгеновского микроскопа с зоннымипластинками Френеля; И - источник излучения; Д ₁ и Д ₂- диафрагмы; М - монохроматор с дифракционной решёткой; К - зонная пластинкаФренеля - конденсор; МЗП - микрозонная пластинка; О - объект; П - приёмникизлучения.

Применение рентгеновских микроскопов. Р. м. наиб. перспективны для задачбиологии и медицины (рис. 5, 6). Они позволяют исследовать влажные живыебиол. объекты - одноклеточные организмы, срезы тканей, отд. клетки, ихядра (без дополнит. окрашивания). Использование «мягкого» рентг. излучениявблизи полос поглощения лёгких элементов даёт возможность исследовать распределениеэтих элементов в структуре объекта. Биополимеры, состоящие из макромолекул(белки, нуклеиновые кислоты п т. д.), эффективно изучаются высокоразрешающимметодом контактной рентг. микроскопии. Использование импульсных источниковдаёт возможность исследовать динамику процессов в нестационарных объектах(напр., живых клетках). Для получения трёхмерных изображений тканей в медицинеразрабатываются методы компьютерной рентгеновской томографии микрообъектов.

Р. м. успешно применяется в материаловедении при изучении особенностейструктуры поликристаллических, полимерных и композитных материалов (рис.7).

Рис. 5. Контактное микрографическое изображение живого тромбоцитачеловека, полученное с использованием импульсного рентгеновского источника(плазма пробоя в газе). На изображении различимы детали размером менее10 нм.

Рис. 6. Изображение диатомовых водорослей, полученное с помощью дифракционногорентгеновского микроскопа. Длина волны излучения 4,5 нм. Масштаб соответствует1 мкм.

Рис. 7. Контактное микрографическое изображение образца композитногоматериала (стеклопластик). Светлые участки - стеклянные волокна (диаметрок. 10 мкм), тёмные - полимер. Изображение характеризует плотность, однородность, <направленность и распределение волокон. Толщина образца 400 мкм, энергиярентгеновских квантов < 30 кэВ.

Для развития методов рентг. микроскопии важное значение имеет созданиевысокоинтенсивных источников рентг. излучения. Один из перспективных источников- высокотемпературная лазерная плазма. С помощью изображающих зеркальныхР. м. изучается структура и динамика процессов, происходящих в такой плазме.

Весьма перспективно развитие голографич. микроскопии с применением частичноили полностью когерентных источников рентг. излучения, в т. ч. рентгеновскихлазеров.

Лит.: Рентгеновская оптика и микроскопия, под ред. Г. Шмаля иД. Рудольфа, пер. с англ., М., 1987. В. А. Слемзин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.