Рентгеновский микроскоп
Схема работы рентгеновского микроскопа
Снимок молекулы в рентгеновском микроскопе
Рентгеновский микроскоп — устройство для исследования микроскопического строения вещества с помощью рентгеновского излучения.
Разрешающая способность достигает 5-10нм, что на несколько порядков выше, чем у оптических микроскопов (200нм). В настоящее время в связи с новыми достижениями в оптической физике, с соданием новых технологий, получением новых способов оптических элементов, преломляющих жёсткие рентгеновские лучи, созданы новые систем микроскопов, как современный оптический микроскоп - наноскоп с разрешением до 1-10нм, рентгеновский микорскоп, с применением преломляющих жёсткие Х-лучи оптических элементов, с разрешением 5-10нм.
Общие сведения[]
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[]
- Рентгеновские микроскопы отражательные
- Рентгеновские микроскопы проекционные
- Рентгеновские микроскопы флюоресцентные с применением планарных преломляющих, фокусирующх Х-лучи линз.
Рентгеновские микроскопы отражательные[]
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[]
Схема Рентгеновского микроскопа проекционного
Дифракционная френелевская бахрома
Рентгеновская проекционная микроскопия основана на принципе теневой проекции объекта в расходящемся пучке рентгеновских лучей, испускаемых «точечным» источником. Рентгеновские микроскопы проекционные состоят из сверхмикрофокусного источника рентгеновских лучей с фокусом 0,1—1 мкм в диаметре, (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 до детектора (b):
- 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 проекционных рентгеновских микроскопов достигает 0,1—0,5 мкм.
Область применения[]
- Медицина
- Минералогия
- Металловедение и др.
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[]
Рентгеновская оптика преломления[]
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 устройств микроскопов, телескопов с использованием диапазона спектра длин волн жёстких Х-лучей, способных их преломлять и фокусировать с разрешением 5-10нм[3]
Получение изображений в реальном и фурье-пространствах[]
Рис.1,Применение планарных линз на примере прохождения Х-лучей в кристаллах
Рис.2,Cхема флюоресцентного наноскопа с использованием Х-линзы, преломляющей Х-лучи
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.
В диапазоне жёсткого излучения (мощностью от 6-10 до 100кэВ), где работают преломляющие линзы (Рис.1, Рис.2), глубина поглощения достигает величин больших значенийй разрешения самих линз. Кроме того надо учесть, что преломляющие Х-линзы, дающие субмикронное фокальное пятно, имеют глубину резкости примерно 0,1—1см. И любое двумерное их оптическое изображение есть проекционное с деталями, которыые накладываются по ходу луча. Откуда, наиболее целесообразнее получить объективную оценку, применив способы томографии, компьютерной томографии, магнитно-резонансной томографии.[4], получая изображение в трёхмерном пространстве (3D).
Для получения рентгеновских изображений в действительном пространстве сейчас в основном применяют преломляющие линзы, рассмотренные выше (Рис.1,2), с параболическим аксиально симметричным профилем.[5] Имеются и другие Х-линзы с другими рассчётными профилями. В настоящее время опережающее развитие получает безлинзовая компьютерная микроскопия в томографии, где происходит форимрование трёхмерных изображенй структуры объектов (3D). Сейчас созданы нанотомографы с разрешением 200нм.[6] Для повышения разрешения трехмерных изображений величиной в 25-50нм предполагается применение в топографии методов преобразований сигналов изображений нанообъектов — спектров дифракции в фурье-пространстве (с последующими преобразованиями сигналов — дискретизациия, калибровка, восстановление их при АЦП и т.д. с выдачей в стерео пространстве изображений на экране монитора). Флюоресцентная рентгеноскопия с разрешением 5-10нм отличается тем, что в разных участках объекта периодически создаются видимые раздельно флуоресцирующие молекулы и наночастицы. Лазер (рентгеновский) обеспечивает такое их возбуждение, которое достаточно не только для регистрации их неперекрывающихся изображений, но и для обесцвечивания уже зарегистрированных флуоресцирующих молекул. При этом десятки тысяч кадров с зарегистрированными изображениями одиночных молекул и наночастиц (в виде пятен диаметром порядка длины волны света флуоресцении, умноженной на увеличение микроскопа), обрабатываются на компьютере для поиска координат центров пятен и создания изображения объекта по миллионам вычисленных координат центров пятен, соответствующих координатам индивидуальных флуоресцирующих молекул и наночастиц. При этом применяемые две цифровые, размещённые под углом, с высоким разрешением камеры, улавливая светящиеся окрашенные в RGB цвета микрочастицы (молекулы, атомы) при формировании стереоизображений окрашивают их в нужный цвет. [7]
Примечания[]
- ↑ http://dssplab.karelia.ru/sources/BOOK/glava1/01.html
- ↑ http://www.stanford.edu/group/glam/xlab/XPert1/IncBeam.htm
- ↑ В.В.Аристов, Л.Г.Шабельников Успехи физических наук, январь 2008г.,Том178, №1
- ↑ Тихонов А Н, Арсенин В Я, Тимонов А АМатематические задачи компютерной томографии (М.:Наука,1987)
- ↑ Langeler B et al.J. Sinchrotron Rad. 9 119 (2002)
- ↑ SKYSCAN, httr://www.skyscan.be
- ↑ Darahanau A V et.al. Phys. Lett. A 335 494(2005)
|
Это незавершённая статья. Вы поможете проекту, исправив и дополнив её.
|
bg:Микроскоп
bs:Mikroskop
ca:Microscopi
cs:Mikroskop
da:Mikroskop
de:Mikroskop
en:Microscope
es:Microscopio
eu:Mikroskopio
fi:Mikroskooppi
fr:Microscope
he:מיקרוסקופ
id:Mikroskop
it:Microscopio
ja:顕微鏡
ko:현미경
mk:Светлински микроскоп
ms:Mikroskop
nl:Microscoop
no:Mikroskop
pl:Mikroskop
pt:Microscópio
sh:Mikroskop
simple:Microscope
sl:Mikroskop
sq:Mikroskopi
sr:Микроскоп
sv:Mikroskop
tg:Микроскоп
th:กล้องจุลทรรศน์
tl:Mikroskopyo
tr:Mikroskop
uk:Мікроскопічний