Рентгеновский микроскоп

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск
Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Микроскоп
Рентгеновский микроскоп
Снимок молекулы в рентгеновском микроскопе

Рентгеновский микроскоп — устройство для исследования микроскопического строения вещества с помощью рентгеновского излучения с длиной волны порядка 0,01-1нм.

Разрешающая способность рентгеноскопии с применением опорного Х-илучения 0,01-1нм в настоящее достигает 5-10нм, что на несколько порядков выше, чем у оптических микроскопов. Однако сейчс в связи с новыми достижениями в оптической физике, с соданием новых технологий, получением оптических элементов (линз), преломляющих жёсткие рентгеновские лучи, созданы новые системы микроскопов, как современный оптический микроскоп - наноскоп с разрешением до 1-10нм, рентгеновский микорскоп, с применением преломляющих жёсткие Х-лучи оптических элементов (линз), с разрешением 5-10нм.

Общие сведения[править]

Взаимодействие рентгеновских лучей с веществом отличается от лучей видимого спектра света.

Малое отклонение показателя преломления рентгеновских лучей от единицы (меньше чем на 10— 4) практически не позволяет использовать для их фокусировки линзы и призмы. Электрические и магнитные линзы для этой цели также неприменимы, так как рентгеновские лучи инертны к электрическому и магнитному полям. Поэтому в рентгеновской микроскопии для фокусировки рентгеновских лучей используют явление их полного внешнего скользящего отражения изогнутыми зеркальными плоскостями или отражение от кристаллографических изогнутых плоскостей.

Преломление рентгеновских лучей

Преломление рентгеновских лучей при скользящем падении было впервые сформулировано М.А.Кумаковым, разработавшим рентгеновское зеркало, и теоретически обосновано Артуром Комптоном en:Compton в 1923 году. Эти работы стали для физиков стимулом для исследования применимости изогнутых зеркал и др. оптических элементов для фокусировки рентгеновского излучения, и для получения изображений. Именно полное отражение на границе вакуум-иная среда при скользящем падении легло в основу создания оптических систем с применением рентгеновской оптики.[1]

Благодаря высокой проникающей способности, простоте линейчатой структуры спектра и резкой зависимости коэффициента поглощения рентгеновского излучения от атомного номера элемента по методу проекции в расходящемся пучке лучей, испускаемых «точечным» источником, осуществляется проекционная, или теневая рентгеномикроскопия.

Виды рентгеновских микроскопов[править]

  • Рентгеновские микроскопы отражательные
  • Рентгеновские микроскопы проекционные
  • Рентгеновские микроскопы флюоресцентные с применением планарных преломляющих, фокусирующх Х-лучи линз.

Рентгеновские микроскопы отражательные[править]

Схема работы рентгеновского отражательного микроскопа
Схема работы рентгеновской зеркальной оптической системы рентгеновского отражательного микроскопа

Рентгеновский отражательный микроскоп содержит микрофокусный источник рентгеновского излучения, фокусирующее Х-лучи оптическое устройство (Объектив) со спрофилированными зеркалами-отражателями. Которые состоят из оптических материалов: монокристалов кварца с нанесенных на его полированную слоя золота или из изогнутых монокристаллов с более 100 слоями и детектор изображения (фотодатчик). Увеличение у них доходит до 100 000 крат, разрешение = 0,1—0,5 мкм. Изображения, создаваемые отражательными рентгеновскими микроскопами даже при точном выполнении профиля их зеркал, применения сложных оптических систем настройки сжатия или расхождения Х-лучей искажаются различными аберрациями этих лучей, что в итоге имеется: астигматизм,кома, величина брэгговских углов дифракций.

Также применение для фокусировки рентгеновского излучения изогнутых монокристаллов помимо геометрических искажений на качество изображения сказываются структурные несовершенства монокристаллов. Рентгеновские микроскопы отражательные в силу этого, а также из-за технических сложностей их изготовления и эксплуатации не получили широкого распространения.[2]

Рентгеновские микроскопы проекционные[править]

Рис.1,Схема Рентгеновского микроскопа проекционного
Дифракционная френелевская бахрома

‎ Рентгеновская проекционная микроскопия (РПМ) основана на принципе теневой проекции объекта в расходящемся пучке рентгеновских лучей, испускаемых «точечным» источником. Рентгеновские микроскопы проекционные состоят из сверхмикрофокусного источника рентгеновских лучей с диаметром апертуры d=0,1—1 нм, (специальной микрофокусной рентгеновской трубки или камеры-обскура, (диафрагмы) в сочетании с обычной широкофокусной рентгеновской трубкой), камеры для размещения исследуемого объекта и регистрирующего устройства. Увеличение М в методе рентгеновской проекционной микроскопии определяется отношением расстояний от источника рентгеновского излучения до объекта (а) и расстояние от объекта (a)до детектора = (b)(см. Рис.1, Рис.2):

М = b/a.

Т.е.объект должен находиться на малых расстояниях от источника рентгеновского излучения. Для этого фокус трубки располагается непосредственно на окне рентгеновской трубки либо на вершине иглы анода, помещенной вблизи окна трубки. Линейное разрешение (РПМ) достигает 0,1—0,5 нм.

Геометрическое разрешение (см. Рис.2) определяется величиной нерезкости (полутени) края объекта Pr, зависящей от размера источника рентгеновских лучей d и увеличения М : Pr = Md. Дифракционное разрешение зависит от дифракционной френелевской «бахромы» на крае: Pr = аλ1/2 , где а — расстояние от источника до объекта. Поскольку а не может быть меньше 1 нм, разрешение из соотношений M расстояний a и b составдяет 10 нм (если размеры источника обеспечат такое же геометрическое разрешение). Контраст в изображении возникает благодаря различию в поглощении излучения различными участками объекта. Этим различием определяется и чувствительность теневого (РПМ).[3]

Область применения[править]

При помощью рентгеновского проекционного микроскопа можно:

- оценить качество тонких покрытий
- получить микрорентгенографии биологических и ботанических срезов толщиной до 200 мкм.
- применить для анализа смеси порошков лёгких и тяжёлых металлов, при изучении внутреннего строения объектов, непрозрачных для световых лучей и электронов.

При работе с Рентгеновским проекционным микроскопом исследуемые образцы не надо помещать в вакуум, как в электронном микроскопе, и очень важно, что они не подвергаются разрушающему действию электронов.

Использование в рентгеновских микроскопах различных преобразователей рентгеновских изображений в видимые в сочетании с телевизионными системами позволяет вести оперативный контроль объектов в условиях научно-исследовательской и производственной деятельности.

Новое направление в рентгеноскопии[править]

Рентгеновская оптика преломления[править]

Планарные параболические линзы

В настоящее время на основе оптических материалов монокристаллического кремния исследованы и созданы линзы и призмы, преломляющие Х-лучи. Это аналоги оптических устройств (тонких линз), используемых в диапазоне видимых лучей света. До последнего времени считались невозможными использовать преломляющие системы для рентгеновского излучения.

Как известно, показатель преломления Х-лучей мало отличается от единицы. Рентгеновская оптика являлась предметом постоянных оценок и рассуждений. Получение и появление составных рентгеновских линз и призм — начало новых шагов во всём мире в деле создания новых оптических устойств микроскопов, телескопов с использованием диапазона спектра длин волн жёстких Х-лучей, способных их преломлять и фокусировать с разрешением 5-10нм[4]

Получение изображений в реальном и фурье-пространствах[править]

Рис.1,Применение планарных линз на примере прохождения Х-лучей в кристаллах

Фокусирующие элементы могут передавать рентгеновские изображения в реальном (видимом) пространстве объектов в виде стереоизображений 3D. В данном случае важно при создании методов рентгеноскопии, когда пространственное разрешение фиксируется предельным разрешением сфокусированного объекта на субмикронном атомно-молекулярном уровне. Эти методы уже с 1980 годов реализованы, но в диапазоне «мягких» Х-волн при использовании зонных пластинок Френеля и рентгеновской зеркалной оптикой. В данном случае, например, получают двумерные рентгеновские изображения при использовании мягких Х-лучей с энергией 1-1,5кэВ, где глубина поглощения менее 1мкм, что не на много больше разрешения, т.е. 20-100нм.

Примечания[править]