Рентгеновский микроскоп. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

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. может быть изображающим, образующим действительное пли теневое изображение объекта, или сканирующим (растровым), к-рый регистрирует излучение от одного элемента объекта, находящегося на оптич. оси микроскопа, а полное изображение (растр) создаётся при последоват. перемещении объекта относительно оси микроскопа с 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 десятков эВ до десятков кэВ. В ДВ-части спектра наиб. важен участок длин волн 2,3-4,4 нм, соответствующий т. н. «водяному окну», в к-ром достигается наиб. контраст между содержащим углерод органич. веществом живых клеток и жидкой цитоплазмой. Р. м., работающие в КВ-части диапазона, применяют для исследований структуры разл. конструкц. материалов, содержащих элементы с большим ат. номером.

Проекционный рентгеновский микроскоп для наблюдения структуры самосветящихся объектов представляет собой камеру-обскуру (рис. 1,а), отверстие находится на малом расстоянии (S₁) от источника О и на большом (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 исследования структуры 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, регистрируемое на 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.- малая апертура и большая радиац. нагрузка на просвечиваемый объект.

Контактный рентгеновский микроскоп является предельным случаем проекционного Р. м. при S₂, равном толщине образца, к-рый устанавливается в непосредств. контакте с фотоплёнкой или экраном. Этот метод иногда называют микрорадиографией. Источник И устанавливается на значит. удалении от образца О, причём размер и соответственно мощность источника могут быть значительно больше, чем в случае проекционного Р. м. Разрешение зависит от толщины образца 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 травления изображение 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. для более «жёсткого» излучения (в области

- 10 кэВ). Классич. тип отражательного Р. м. скользящего падения - микроскоп Киркпатрика - Баэза, состоящий из пары скрещенных сферич. или цилиндрич. зеркал (рис. 2). В этой схеме источник О и зеркала А и Б расположены таким образом, что меридиональное О' и сагиттальное

астигматические промежуточные изображения источника (см. Изображение оптическое), создаваемые зеркалом А, были бы соответственно сагиттальным и меридиональным изображениями для зеркала Б, к-рое благодаря обратимости объекта и изображения создаёт стигматическое увеличенное изображение источника в точке О₁. Предельное дифракц. разрешение таких

(

- 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) составляет 5-7 нм. Реальное разрешение Р. м. Киркпатрпка - Баэза определяется сферич. аберрацией и комой и обычно составляет 1 мкм. Оно может быть повышено только за счёт уменьшения размеров зеркал и, следовательно, светосилы, к-рая в результате не намного превышает светосилу проекционного Р. м.

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

Значительно большей (на 2-3 порядка) светосилой обладают отражательные Р. м. скользящего падения с зеркальными системами Вольтера, из к-рых чаще используется система гиперболоид-эллипсоид (см. рис. 2 в ст. Рентгеновская оптика). Теоретич. разрешение таких Р. м. на оптич. осп определяется соотношением

, где М - увеличение,

- угол скольжения, примерно равный % апертуры. Напр., для сканирующего Р. м., дающего уменьшенное изображение источника в плоскости просвечиваемого объекта с М = 0,3 и

, при

= 2,5 нм

=5 нм. Реальное разрешение зависит от точности изготовления зеркал, имеющих глубоко асферическую форму, и составляет ~1 мкм; необходимая для получения теоретич. разрешения точность (-1 нм) пока недостижима для совр. технологии. Полевые аберрации отражат. Р. м. этого типа довольно велики и ограничивают поле зрения до угл. величины ~ 1°. Использование многослойных интерференц. покрытий позволяет увеличить угол q и тем самым повысить светосилу отражательного Р. м. скользящего падения.

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

Рис. 3. Схема отражающего рентгеновского микроскопа с зеркалами нормального падения по схеме Шварцшильда; И - источник; З₁ и З₂ - зеркала с многослойным покрытием; О - объект; П - приёмник излучения.

Сканирующий микроскоп этого типа даёт уменьшенное изображение источника с помощью зеркал сферич. формы, расположенных почти концентрически. Для заданных параметров: числовой апертуры А, коэф. уменьшения М и расстояния от источника до первого зеркала S - существуют такие оптим. значения радиусов кривизны зеркал r₁ и r₂ и расстояния между ними, при к-рых сферич. аберрация, кома и астигматизм практически 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 требует точного изготовления зеркал и их взаимной юстировки с точностью порядка

В дифракционном рентгеновском микроскопе осн. элементом является зонная пластинка Френеля, к-рая для монохроматич. излучения представляет собой линзу с фокусным расстоянием

, где r₁ - радиус первой зоны Френеля,

- длина волны, m - порядок спектра. Дифракц. разрешение зонной пластинки Френеля определяется шириной крайней зоны:

= 1,22

, где п - номер крайней зоны. Светосила определяется диаметром

Эффективность дифракции для зонных пластинок Френеля с амплитудной модуляцией составляет ок. 10% в первом, 2%- во втором и 1%- в третьем порядках спектра. Дифракц. Р. м. обычно работает в области

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

Схема изображающего дифракц. Р. м. приведена на рис. 4. В качестве источника наиб. часто используются синхротроны, накопит. кольца или ондуляторы, излучение к-рых предварительно монохроматизуют до спектральной ширины

и с помощью конденсора направляют на образец О, устанавливаемый в плоскости диафрагмы Д. Микрозонная пластинка (МЗП) даёт увеличенное изображение объекта в плоскости детектора. Доза облучения образца существенно снижается в сканирующем дифракц. 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 изготовления зонных пластинок.

Рис. 4. Схема дифракционного рентгеновского микроскопа с зонными пластинками Френеля; И - источник излучения; Д₁ и Д₂ - диафрагмы; М - монохроматор с дифракционной решёткой; К - зонная пластинка Френеля - конденсор; МЗП - микрозонная пластинка; О - объект; П - приёмник излучения.

Применение рентгеновских микроскопов. Р. м. наиб. перспективны для задач биологии и медицины (рис. 5, 6). Они позволяют исследовать влажные живые биол. объекты - одноклеточные организмы, срезы тканей, отд. клетки, их ядра (без дополнит. окрашивания). Использование «мягкого» рентг. излучения вблизи полос поглощения лёгких элементов даёт возможность исследовать распределение этих элементов в структуре объекта. Биополимеры, состоящие из макромолекул (белки, нуклеиновые кислоты п т. д.), эффективно изучаются высокоразрешающим методом контактной рентг. микроскопии. Использование импульсных источников даёт возможность исследовать динамику процессов в нестационарных объектах (напр., живых клетках). Для получения трёхмерных изображений тканей в медицине разрабатываются методы компьютерной рентгеновской томографии микрообъектов.

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

Рис. 5. Контактное микрографическое изображение живого тромбоцита человека, полученное с использованием импульсного рентгеновского источника (плазма пробоя в газе). На изображении различимы детали размером менее 10 нм.

Рис. 6. Изображение диатомовых водорослей, полученное с помощью дифракционного рентгеновского микроскопа. Длина волны излучения 4,5 нм. Масштаб соответствует 1 мкм.

Рис. 7. Контактное микрографическое изображение образца композитного материала (стеклопластик). Светлые участки - стеклянные волокна (диаметр ок. 10 мкм), тёмные - полимер. Изображение характеризует плотность, однородность, направленность и распределение волокон. Толщина образца 400 мкм, энергия рентгеновских квантов < 30 кэВ.

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

Весьма перспективно развитие голографич. микроскопии с применением частично или полностью когерентных источников рентг. излучения, в т. ч. рентгеновских лазеров.

Литература по рентгеновским микроскопам

Знаете ли Вы, в чем фокус эксперимента Майкельсона?

Эксперимент А. Майкельсона, Майкельсона - Морли - действительно является цирковым фокусом, загипнотизировавшим физиков на 120 лет.

Дело в том, что в его постановке и выводах произведена подмена, аналогичная подмене в школьной шуточной задачке на сообразительность, в которой спрашивается:
- Cколько яблок на березе, если на одной ветке их 5, на другой ветке - 10 и так далее
При этом внимание учеников намеренно отвлекается от того основополагающего факта, что на березе яблоки не растут, в принципе.

В эксперименте Майкельсона ставится вопрос о движении эфира относительно покоящегося в лабораторной системе интерферометра. Однако, если мы ищем эфир, как базовую материю, из которой состоит всё вещество интерферометра, лаборатории, да и Земли в целом, то, естественно, эфир тоже будет неподвижен, так как земное вещество есть всего навсего определенным образом структурированный эфир, и никак не может двигаться относительно самого себя.

Удивительно, что этот цирковой трюк овладел на 120 лет умами физиков на полном серьезе, хотя его прототипы есть в сказках-небылицах всех народов всех времен, включая барона Мюнхаузена, вытащившего себя за волосы из болота, и призванных показать детям возможные жульничества и тем защитить их во взрослой жизни. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.