Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
РЕНТГЕНОВСКИЙ МИКРОСКОП

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.