Домой Медицина Рентгеновские микроскопы. Рентгеновская микроскопия Выводы по обзору

Медицина

Рентгеновские микроскопы. Рентгеновская микроскопия Выводы по обзору

Вводный урок бесплатно ;
Большое число опытных преподавателей (нейтивов и русскоязычных);
Курсы НЕ на определенный срок (месяц, полгода, год), а на конкретное количество занятий (5, 10, 20, 50);
Более 10 000 довольных клиентов.
Стоимость одного занятия с русскоязычным преподавателем - от 600 рублей , с носителем языка - от 1500 рублей

Рентгеновская микроскопия - совокупность методов исследования микроскопического строения вещества с помощью рентгеновского излучения. В рентгеновской микроскопии используют специальные приборы - рентгеновские микроскопы. Разрешающая способность достигает 100 нм, что в 2 раза выше, чем у оптических микроскопов (200нм). Теоретически рентгеновская микроскопия позволяет достичь на 2 порядка лучшего разрешения, чем оптическая (поскольку длина волны рентгеновского излучения меньше на 2 порядка). Однако современный оптический микроскоп - наноскоп имеет разрешение до 3-10нм.

Рентгеновская микроскопия разделяется на:

· Отражательная микроскопия

· Проекционная микроскопия

· Электронная микроскопия

· Рентгеновская лазерная микроскопия

Отражательные

В микроскопах этого типа используются приёмы, позволяющие добиться максимального увеличения, благодаря чему линейное разрешение проекционных рентгеновских микроскопов достигает 0,1-0,5 мкм. В качестве линз в них используется система зеркал. Изображения, создаваемые отражательными рентгеновскими микроскопами даже при точном выполнении профиля их зеркал искажаются различными аберрациями оптических систем: астигматизм, кома.

Отражательные рентгеновские микроскопы не получили широкого распространения из-за технических сложностей их изготовления и эксплуатации.

Проекционные рентгеновские микроскопы представляют собой камеру, в противоположных концах которой располагаются источник излучения и регистрирующее устройство. Для получения чёткого изображения необходимо, чтобы угловая апертура источника была как можно меньше.

Увеличение (М) в методе рентгеновской проекционной микроскопии определяется отношением расстояний от источника рентгеновского излучения до детектора (b) к расстоянию от источника до объекта (а):

В микроскопах такого типа до недавнего времени не использовались дополнительные оптические приборы. Основным способом получить максимальное увеличение является размещение объекта на минимально возможном расстоянии от источника рентгеновского излучения. Для этого фокус трубки располагается непосредственно на окне рентгеновской трубки либо на вершине иглы анода, помещенной вблизи окна трубки. В последнее время ведутся разработки микроскопов, использующих зонные пластинки Френеля для фокусировки изображения. Такие микроскопы имеют разрешающую способность до 30 нанометров.

Для фокусировки рентгеновского излучения применяются также изогнутые монокристаллы. Но при этом на качество изображения сказываются структурные несовершенства монокристаллов, а также конечная величина брэгговских углов дифракций.

Ла́зерная рентге́новская микроскопи́я - разновидность рентгеноструктурного анализа, основанного на дифракции рентгеновских лучей на исследуемом объекте. В отличие от традиционного рентгеноструктурного анализа, исследуется одиночные молекулы и их сочетания.

Для получения и дальнейшей регистрации дифракционной картины на одиночном объекте требуется:

высокая концентрация энергии излучения на исследуемом объекте как из-за его размера (традиционный рентгеноструктурный анализ имеет дело с кристаллами из исследуемых объектов), так и из-за ограниченной чувствительности принимающей аппаратуры (при недостаточной энергии не удастся зафиксировать картину);

малое время экспонирования, так как вследствие высокой концентрации энергии объект неизбежно разрушается излучением. Характерные временные интервалы - несколько фемтосекунд (10−12 с);

высокая пространственная когерентность излучения (длина когерентности должна быть по крайней мере сравнима с длиной оптического пути прибора), в противном случае из-за малого времени экспонирования возникающее искажение фазы не позволит сформировать устойчивую дифракционную картину.

Публикации по освещению ряда исследований, направленных на задачи анализа атомарной структуры фотонных кристаллов и кластерных естественных и искусственных образований, уже неоднократно обсуждались . В этом коротком обзоре будет сделана попытка оценки возможностей применения рентгеновских методов анализа регулярных структур.

История исследований атомарной структуры кристаллов в Рентгеновских лучах восходит к началу прошлого века. Она начинается с исследований германского физика Макса фон Лауэ (Max von Laue), который со своими студентами Walter Friedrich и Paul Knipping в 1912 году обнаружили дифракцию X-rays на кристаллах . В 1914 году за эти исследования Максу фон Лауэ была присуждена Нобелевская премия. Вторым значимым открытием историографы науки называют открытие американским физиком Артуром Комптаном увеличения длины волны рентгеновского рассеянного излучения на частицах атомарной структуры графита, открытые им в 1922г. и объясненные в рамках квантовой теории излучения. При объяснении обнаруженного эффекта им предложено выражение связывающее приращение длины волны с квантовыми константами и углом падения излучения.

Почему интерес исследователей атомарных и нано-структур обращается к Рентгеновскому диапазону? Ответ на этот вопрос понятен. Для исследования атомной структуры применяют излучение с длиной волны λ~1 , т. е. порядка размеров атомов. Методами Рентгеноструктурного анализа (Р. с. а.) изучают металлы, сплавы, минералы, неорганические и органические соединения, полимеры, аморфные материалы, жидкости и газы, молекулы белков, нуклеиновых кислот и т.д. Наиболее успешно Р. с. а. применяют для установления атомной структуры кристаллических тел. Это обусловлено тем, что кристаллы обладают строгой периодичностью строения и представляют собой созданную самой природой дифракционную решётку для рентгеновских лучей. Таким образом, 3D наноструктуры представляют для потока лучей рентгеновского диапазона полупрозрачные многослойные дифракционные решетки (МРД).

В сообщении на страницах Нанометра в 2006 году сообщалось об исследовании наноструктур на циклотронном излучателе с разрушением самой исследуемой структуры. В публикации коллектива авторов СО РАН РФ детально разобраны принципы исследования таких структур и сделан главный вывод, что дифракция жесткого рентгеновского (синхротронного) излучения является наиболее информативным методом исследования и неразрушающего контроля структурных характеристик МРД. В публикациях прошлых лет (второй половины прошлого столетия и начале нынешнего века) можно проследить эволюцию развития работ по Рентгеновскому дифракционному анализу регулярных и квазирегулярных 3D структур. В 50-е годы прошлого века две группы ученых, возглавляемые одна Джоном Кендрю , другая Максом Перуцом, выяснили структуру гемоглобина и миоглобина, облучая их рентгеновскими лучами и используя затем метод рентгеноструктурного анализа (см. также ). За эти результаты в 1962 году им обоим была присуждена Нобелевская премия по химии «за исследования структуры глобулярных белков». С этого момента рентгеновские лучи стали основным помощником в исследовании трехмерных структур макромолекул.

В публикация в arxiv.org получены результаты по восстановлению камерой с ПЗС-матрицей изображения мышиного вируса герпеса с помощью математических методов. Само изображение рентгеноструктурного анализа преобразовывалось в распределение электронной плотности внутри вируса, что и означало «получение» рентгеновского снимка. Ученым удалось получить высококонтрастное изображение вируса с почти рекордным разрешением — 22 нанометра (на сегодня рекордом разрешающей способности рентгеновского дифракционного микроскопа является величина 15 нм , об этом эксперименте в Нанометре уже сообщалось в ). В заключении исследователи говорят о том, что достигнутое ими разрешение 22 нм в получении рентгеновского изображения вируса не является пределом и, скорее всего, может быть улучшено с помощью проекта X-FEL — источника когерентного рентгеновского излучения (рентгеновского лазера) на свободных электронах. Проект X-FEL : Рентгеновский лазер - это синхротронное оборудование длинной 3.4 км, которое работает по существу под землёй и включает три участка на земле. Он начинается на участке DESY в Гамбург - Бахренфельд и проходит главным образом под землёй к участку исследования XFEL, который должен быть установлен вертикально в южной части города Шенефельд (район Пиннеберг, Шлезвиг-Гольштейн).

Исследования атомарных структур естественных и искусственных форм неорганических и органических соединений с высокими дозами Рентгеновского излучения, хотя и дают более детальные характеристики атомарной структуры исследуемых объектов, но они, как правило, связаны с полным или частичным уничтожением исследуемых образцов. По этому поиск путей неразрушающего контроля атомарной структуры - проблема, над которой бьются многие исследователи .

Чтобы как-то обойти эти проблемы, при рентгеноструктурном анализе частично упорядоченных или неупорядоченных вовсе объектов (белков, ДНК, вирусов и т. д.) физики прибегают к так называемому методу малоуглового рассеяния. Рентгеновское излучение в этом случае концентрируется вблизи первичного пучка — в области малых углов рассеяния, то есть является слабо расходящимся .

До настоящего времени перспективным направлением неразрушающего микроскопического контроля в Рентгеновском диапазоне являются исследования с помощью настраиваемого монохроматора X лучей (Tunable Monochromatic X Rays), не смотря на то, что публикация датируется 2002 годом. В любом поисковике по словосочетанию английской аббревиатуры заключенной в скобках можно детальнее разобраться с состоянием этих исследований. Дальнейшее развитие этих работ идет по пути применения импульсных монохроматоров с приближением длительности импульсов излучения к фемтa-секундному диапазону . Например в уже использовался мало-джоульный лазер 1,052-nm с разгоном в импульсе от 20-КV до 50-MeV.

Дальнейшее развитие этих исследований нам представляется чрезвычайно интересным не только для исследования биологических образований на клеточном уровне, но и для задач анализа микро и нано- структур на атомарном уровне. Но наиболее перспективным направлением дальнейшего развития исследований по мнению авторов обзора представляются работы изложенные в публикациях , в которых были изложены Методы флюоресцентной голографии в рентгеновских лучах (XFH и XFR), привлекшие внимание многих исследователей, как новое экспериментальное средство для отображения трехмерной локальной атомной структуры вокругнекоторого элемента в монокристалле. Ценность этой работы заключается в том, что в ней было показано лабораторное XFH оборудование с обычным рентгеновскимисточником, в котором используется однократно согнутый графитовый монохроматор с большой кривизной и рентгеновский детектор с высокой скоростью счета. С этим оборудованием были получены и успешно продемонстрированы высококачественные голограммные данные монокристалла золота почти эквивалентные тем, которые были получены с источником синхротронного излучения.

Голография атомного разрешения с флуоресцентными Х-лучами, так называемаяфлюоресцентная голография в Х-лучах (XFH), была выполненаTegze и Faigel в 1996 . XFH имеет нормальный и инверсный XFH способы, которые схематично поясняются на Рис. 6, 7 (a) и (b), соответственно. В нормальном XFH способе, волновым источником являются атомы, испускающие флуоресцентные Х-лучи в образце. Часть флуоресцентных Х-лучей рассеиваются соседними атомами и интерферирует с теми, которые непосредственно распространяются вне образца и формируют голограмму с атомарным разрешением. С другой стороны, инверсионный XFH способ основывается на оптической обратимости нормального XFH метода. Голограмма нормируется интерференцией между падающими Х-лучами и рассеянными лучами соседними атомами, находящимися рядом с флуоресцирующими атомами. Голограмма регистрируется как функция направления падающих Х-лучей. Энергия для строительства голограмм в нормальном способе ограничивается энергией флуоресцентных Х-лучей. В инверсном способе может быть выбрана любая энергия выше границы поглощения флуоресцентного элемента. Атомные изображения восстанавливаются из голограмм простым числовым алгоритмом .

В отмечается, что атомарные изображения, восстановленные от голограмм, имеют серьезную проблему, так называемую проблему двойного изображения, то есть сопряженное изображение присутствует в центрально-симметричном положении реального изображения. Из-за наложения реального изображения с сопряженным изображением, даже реальное изображение часто исчезает. Искажение атомных изображений имеет место главным образом из-за этого явления. Чтобы решить эту проблему, была предложена многократная энергетическая рентгеновская голография (MEXH) . В MEXH, функции изображения, восстановленные при разных энергиях суммируются алгоритмом многократной энергии Бартона . В суммированном изображении, фазы определённым образом добавляются в истинных атомных положениях, в то время как они беспорядочно добавляются в положениях двойника изображения. Чтобы устранить изображение - двойник, регистрируются 5-10 голографических образцов. Вообще MEXH выполняется инверсным способом с регулируемым по энергии источником синхротронного излучения. С обычным источником Х-лучей в лаборатории, однако, MEXH метод, использующий инверсный способ, едва выполняется, так как высоко-интенсивные монохроматические Х-лучи ограничиваются характеристикой излучения материалов мишени. В работе формировались 4 голографических паттерна в течение 10 дней с помощью нормального и инверсного способов при использовании только лабораторного XFH оборудования и приводятся детали измерения голограмм с помощью обоих способов на этом лабораторном XFH оборудовании и оценки их работы по восстановлению 3-D изображения атома золота.

Рис. 6,7 (a), и (b) показывают экспериментальные установки для нормального и инверсного XFH способов, соответственно. Флуоресцентные Х-лучи, испускаемые от образца были детектированы твёрдотельным детектором (SSD), который был разработан для регистрации рентгеновских лучей при скорости считывания ~10 5 Гц с энергетическим разрешением приблизительно 200 eV. Образец был установлен на поворотной платформе по углу φ. Углы падения и выхода рентгеновских лучей θ 1 и θ 2 , автоматически контролировались двухосным диффрактометром. Интенсивность флюоресценции была измерена как функция азимутального угла (φ) и полярного угла (θ 1 или θ 2). При нормальном способе, угол θ 2 является полярным углом, а θ 1 угол сохраняется постоянным. Перед SSD установлена маленькая щель, чтобы определить угловое разрешение голограммы. В инверсном способе, соотношение между θ 1 и θ 2 обратное,чем таковое в нормальном способе.

В результате голограммных измерений монокристалла 001 золота, был получен ясный голографический паттерн почти эквивалентный паттерну, полученному с источником синхротронного излучения. Результаты приведены на Рис. 8…10. Времена измерения составляли около 2 дней в инверсном XFH способе Мо К L α (9.71 keV), Au L β (11.49 keV) и Au L γ (13.38 keV). В атомных изображениях, восстановленных от четырех голографических паттернов в обоих способах, были значительно подавлены артифакты и получены более ясные атомарные изображения. Эта работа продемонстрировала успешные измерения с лабораторным XFH оборудованием в комбинации с MEXH методом исследования деталей 3-D атомарных структур.

Выводы по обзору:

Для исследования атомной структуры применяют излучение с длиной волны λ~1 , т. е. порядка размеров атомов.
Методы дифракционной микроскопии уже в этом году позволили получить разрешение 15 нм
Существующие методы исследования с помощью настраиваемого монохроматора X лучей и методы голографии атомного разрешения с флуоресцентными Х-лучами в настоящее время представляют чрезвычайно трудоемкими технологическими операциями, например
В работе формировались 4 голографических паттерна в течение 10 дней с помощью нормального и инверсного способов при использовании только лабораторного XFH оборудования
Времена измерения составляли около 2 дней в инверсном XFH способе Мо К α (17.44 keV) и приблизительно 8 дней в нормальном XFH способе Au L α (9.71 keV), Au L β (11.49 keV) и Au L γ (13.38 keV).

Авторы обзора ставят перед собой задачи существенного уменьшения трудоемкости атомарных исследований с помощью Х лучей и перевода методов их восстановления к традиционным методам трехмерной голографии. По нашим представлениям, добиться поставленных задач позволят отрабатываемые методы иммерсионного переноса в ближней зоне структуры естественных и искусственных МРД с помощью сконцентрированных потоков X-raysв кластерную нано-структуру высокоразрешающих регистрирующих сред, с последующим традиционным для голографии 3D восстановлением атомарной структуры в видимом диапазоне спектра электромагнитных колебаний.

Авторы выражают свою глубокую признательность Антонову Александру Анатольевичу за неоценимую помощь в продвижении наших представлений о специфических приемах X-rays методов обращения с потоками и веществом, которые и выносятся для обсуждения в обзоре.

Список использованных источников:

. Рентгеновский микроскоп взорвал лазером объекты наблюдения, Портал Нанометр,
. Пространственное разрешение XRD - 200 нм. Портал Нанометр,
. Метаматериалы и оптические свойства наноструктур,
Новый метод визуализации наноструктуры материалов
M. Tegze and G. Faigel, Nature (London) 380 , 49 (1996).
Laue, Max von (1913). "Kritische Bemerkungen zu den Deutungen der Photoframme von Friedich und Knipping". Physikalische Zeitschrift 14 (10): 421-423. Received 1 April 1913, published in issue No. 10 of 15 May 1913. As cited in Mehra, Volume 5, Part 2, 2001, p. 922.
Arthur H. Compton., Quantum Theory of the Scattering of X-Rays by Light Elements, Phusical Review, Second series,1923, Vol. 21, N5
В.И. Пунегов, А.В. Карпов, С.В. Мытниченко, Н.В. Коваленко, В.А. Чернов. Влияние азимутальной ориентации многослойной дифракционной решетки на когерентное и диффузное рассеяние рентгеновских лучей., Известия АН РФ, Серия Физическая, 2004, том 68, №4, с. 540-544
British biochemistry past and present, Camb., .
Perutz, Max Ferdinand. Proteins and Nucleic Acids: Structure and Function. New York, 1962;
Обзор свободной энциклопедии Wikipedia. X-ray crystallography
Changyong Song , Huaidong Jiang , pdf ]
Ю.Ерин. Впервые получено рентгеновское изображение вируса. http://www.fund-intent.ru/science/scns142.shtml
Changyong Song, Raymond Bergstrom, Damien Ramunno-Johnson, Huaidong Jiang, David Paterson,Martin D. de Jonge, Ian McNulty,3 Jooyoung Lee,4 Kang L. Wang, and Jianwei Miao,Nanoscale Imaging of Buried Structures with Elemental Specificity Using Resonant X-Ray Diffraction Microscopy . Physical review letters , PRL 100 , 025504 (2008), 18 JANUARY 2008
Frank E. Carroll. Tunable Monochromatik X Rays: A New Paradigm in Medicine. AJR: 179, September 2002. http://www.ajronline.org/cgi/reprint/179/3/583
Frank Carroll. Tunable Monochromatik X Rays: An Enabling Technology for Molecular/Cellular Imaging and Therapy. Journal of Cellular Biochemistry 90:502-508 (2003) http://www.mxisystems.com/mxi04.pdf
Frank E. Carroll. at all/ Pulsed Tunable Monochromatik X-Ray Bems from a Compact Source: New Opportunities
Michael Kolbe, Burkhard Beckhoff, Michael Krumrey and Gerhard Ulm. Thickness determination for Cu and Ni nanolayers: Comparison of completely reference-free fundamental parameter-based X-ray fluorescence analysis and X-ray reflectometry Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy Volume 60, Issue 4 , 30 April 2005, Pages 505-510
Y. Takahashi, K. Hayashiand E. Matsubara. Development and application of laboratory x-ray fluorescence holography equipment. International Centre for Diffraction Data 2004, Advances in X-ray Analysis, Volume 47.
76 , 3132 (1996).
67 , 3106 (1991).
T. Gog, P. M. Len, G. Materlik, D. Bahr, C. S. Fadley and C. Sanchez-Hanke, Phys. Rev. Lett. 76 , 3132 (1996).
J. J. Barton, Phys. Rev. Lett. 67 , 3106 (1991).

Рентгеновская микроскопия

совокупность методов исследования микроскопического строения объектов с помощью рентгеновского излучения. В Р. м. используют специальные приборы - рентгеновские микроскопы. Их предел разрешения может быть на 2-3 порядка выше, чем световых, поскольку длина волны λ рентгеновского излучения на 2-3 порядка меньше длины волны видимого света.

Специфичность взаимодействия рентгеновских лучей (См. Рентгеновские лучи) с веществом обусловливает отличие рентгеновских оптических систем от оптических систем для световых волн и для электронов. 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 Р. м. для фокусировки рентгеновских лучей используют явление их полного внешнего отражения изогнутыми зеркальными плоскостями или отражение от кристаллографических изогнутых плоскостей (отражательная Р. м.). Благодаря высокой проникающей способности, простоте линейчатой структуры спектра и резкой зависимости коэффициента поглощения рентгеновского излучения от атомного номера элемента Р. м. можно осуществить по методу проекции в расходящемся пучке лучей, испускаемых «точечным» источником (проекционная, или теневая, Р. м.).

Отражательный рентгеновский микроскоп содержит микрофокусный источник рентгеновского излучения, изогнутые зеркала-отражатели из стекла (кварца с нанесённым на него слоем золота) или изогнутые монокристаллы и детекторы изображения (фотоплёнки, электроннооптические преобразователи (См. Электроннооптический преобразователь)). На рис. 1 приведена схема хода лучей в рентгеновском микроскопе с 2 зеркалами, повёрнутыми друг относительно друга на 90°. Получение высокого разрешения в отражательной Р. м. ограничивается малым углом полного внешнего отражения (угол скольжения 1 м ) и очень жёсткими требованиями к качеству обработки поверхности зеркал (допустимая шероховатость Рентгеновская микроскопия10 Å). Полное разрешение отражательных рентгеновских микроскопов определяется дифракционным эффектом (зависящим от λ) и угловой апертурой (См. Апертура), не превышающей угла скольжения. Например, для излучения с λ = 1 Å и угла скольжения в 25" дифракционное разрешение не превышает 85 Å (увеличение до 100 000 раз). Изображения, создаваемые отражательными рентгеновскими микроскопами даже при точном выполнении профиля их зеркал искажаются различными аберрациями оптических систем (См. Аберрации оптических систем) (астигматизм, кома).

При использовании для фокусировки рентгеновского излучения изогнутых монокристаллов, помимо геометрических искажений, на качество изображения влияют структурные несовершенства монокристаллов, а также конечная величина брэгговских углов дифракций (см. Дифракция рентгеновских лучей).

Проекционная Р. м. основана на принципе теневой проекции объекта в расходящемся пучке рентгеновских лучей, испускаемых «точечным» источником (рис. 2 ). Проекционные рентгеновские микроскопы состоят из сверхмикрофокусного источника рентгеновских лучей с фокусом 0,1-1 мкм в диаметре [например, специальная микрофокусная Рентгеновская трубка или Камера-обскура (диафрагма) в сочетании с обычной широкофокусной рентгеновской трубкой], камеры для размещения исследуемого объекта и регистрирующего устройства. Увеличение М в методе проекционной Р. м. определяется отношением расстояний от источника рентгеновского излучения до объекта (а ) и до детектора (b ): М = b/a (см. рис. 3 ).

Следовательно, 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. Геометрическое разрешение определяется величиной нерезкости (полутени) края объекта P r зависящей от размера источника рентгеновских лучей d и увеличения М: P r = Md. Дифракционное разрешение зависит от дифракционной френелевской «бахромы» на крае: P r = а λ 1/2 , где а - расстояние от источника до объекта. Поскольку а практически не может быть меньше 1 мкм, разрешение при λ = 1 Å составит 100 Å (если размеры источника обеспечат такое же геометрическое разрешение). Контраст в изображении возникает благодаря различному поглощению рентгеновского излучения в областях объекта с различной плотностью или составом; чувствительность метода проекционной Р. м. определяется отличием коэффициентов поглощения рентгеновского излучения различными участками исследуемого объекта.

Проекционная Р. м. находит широкое применение для исследований микроскопического строения различных объектов: в медицине(рис. 4 ), в минералогии (рис. 5 ), в металловедении (рис. 6 ) и др. областях науки и техники. С помощью рентгеновского микроскопа можно оценивать качество окраски или тонких покрытий, оклейки или отделки миниатюрных изделий. Он позволяет получать микрорентгенографии биологических и ботанических срезов толщиной до 200 мкм. Его используют также для анализа смеси порошков лёгких и тяжёлых металлов, при изучении внутреннего строения объектов, непрозрачных для световых лучей и электронов. Исследуемые образцы при этом не надо помещать в вакуум, как в электронном микроскопе, они не подвергаются разрушающему действию электронов. Применение в рентгеновских микроскопах различных преобразователей рентгеновских изображений в видимые в сочетании с телевизионными системами позволяет осуществлять оперативный контроль объектов в научно-исследовательских и производственных условиях.

Лит.: Уманский Я. С., Рентгенография металлов и полупроводников, М., 1969; Ровинский Б. М., Лютцау В. Г., Камера-обскура для теневой рентгеновской микроскопии, «Изв. АН СССР. Сер. физическая», 1956, т. 20, № 7; Лютцау В. Г., Рентгеновская теневая микроскопия включений, неоднородности состава зерен и примесей по их границам, «Заводская лаборатория», 1959, т. 25,.№ 3; Cosslett V. Е., Nixon W. С., X-ray microscopy, Camb., 1960.

В. Г. Лютцау.

Рис. 6б. Снимки микроструктуры сплава алюминия с 5% меди, полученные с помощью рентгеновского микроскопа. Для сравнения сняты одни и те же участки сплава. Вверху и внизу представлены снимки одинаковых по составу сплавов, кристаллизовавшихся с разной скоростью охлаждения (вверху 180 град/мин , внизу 1 град/мин ). Рентгеновская микроскопия выявляет более тонкое строение микрозёрен сплава (микродендриты - тёмные полосы, скопления атомов меди по границам субзёрен - светлые линии). На верхнем снимке увеличение в 2,5 раза больше, чем на нижнем.

Рис. 6а. Снимки микроструктуры сплава алюминия с 5% меди, полученные с помощью оптического микроскопа. Для сравнения сняты одни и те же участки сплава. Вверху и внизу представлены снимки одинаковых по составу сплавов, кристаллизовавшихся с разной скоростью охлаждения (вверху 180 град/мин , внизу 1 град/мин ). На верхнем снимке увеличение в 2,5 раза больше, чем на нижнем.

Рис. 1. Схема фокусировки рентгеновских лучей в отражательном рентгеновском микроскопе с 2 скрещенными зеркалами: OO" - оптическая ось системы; А - объект; A" - его изображение. Увеличение O"A"/OA.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Рентгеновская микроскопия" в других словарях:

Совокупность методов исследования микроскопич. строения объектов с помощью рентгеновского микроскопа. Р. м. находит применение для исследования строения разл. объектов в медицине, минералогии (рис. 1), металловедении (рис. 2) и др. областях науки … Физическая энциклопедия

рентгеновская микроскопия - Метод получения увелич. изображений объекта, формир. рентг. лучами. Тематики металлургия в целом EN X ray microscopy … Справочник технического переводчика

рентгеновская микроскопия - rentgeno mikroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. X ray microscopy vok. Röntgenmikroskopie, f rus. рентгеновская микроскопия, f pranc. microscopie aux rayons X, f … Fizikos terminų žodynas

рентгеновская микроскопия - метод получения увеличенных изображений объекта, формируемых рентгеновскими лучами. Смотри также: Микроскопия электронная микроскопия дифракционная микроскопия … Энциклопедический словарь по металлургии

Рентгеновский микроскоп устройство для исследования очень малых объектов, размеры которых сопоставимы с длиной рентгеновской волны. Основан на использовании электромагнитного излучения с длиной волны от 0,01 до 1 нанометра. Рентгеновские… … Википедия - электровакуумный прибор (См. Электровакуумные приборы), служащий источником рентгеновского излучения. Такое излучение возникает при торможении электронов, испускаемых катодом, и их ударе об анод (антикатод); при этом энергия электронов,… … Большая советская энциклопедия

Область исследований, в к рой изучаются явления и процессы распространения рентг. излучения при его взаимодействии с веществом, а также разрабатываются элементы для рентг. приборов. При рассмотрении вопросов Р. о. рентг. диапазон условно делят на … Физическая энциклопедия

специальные приборы - рентгеновские микроскопы. Их предел разрешения может быть на 2-3 порядка выше, чем световых, поскольку длина волны l рентгеновского излучения на 2-3 порядка меньше длины волны видимого света.

Специфичность взаимодействия рентгеновских лучей с веществом обусловливает отличие рентгеновских оптических систем от оптических систем для световых волн и для электронов. 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 Рентгеновская микроскопия для фокусировки рентгеновских лучей используют явление их полного внешнего отражения изогнутыми зеркальными плоскостями или отражение от кристаллографических изогнутых плоскостей (отражательная Рентгеновская микроскопия ). Благодаря высокой проникающей способности, простоте линейчатой структуры спектра и резкой зависимости коэффициента поглощения рентгеновского излучения от атомного номера элемента Рентгеновская микроскопия можно осуществить по методу проекции в расходящемся пучке лучей, испускаемых «точечным» источником (проекционная, или теневая, Рентгеновская микроскопия ).

Отражательный рентгеновский микроскоп содержит микрофокусный источник рентгеновского излучения, изогнутые зеркала-отражатели из стекла (кварца с нанесённым на него слоем золота) или изогнутые монокристаллы и детекторы изображения (фотоплёнки, электроннооптические преобразователи ). На рис. 1 приведена схема хода лучей в рентгеновском микроскопе с 2 зеркалами, повёрнутыми друг относительно друга на 90°. Получение высокого разрешения в отражательной Рентгеновская микроскопия ограничивается малым углом полного внешнего отражения (угол скольжения < 0,5°), а следовательно, большими фокусными расстояниями (> 1 м ) и очень жёсткими требованиями к качеству обработки поверхности зеркал (допустимая шероховатость ~10 ). Полное разрешение отражательных рентгеновских микроскопов определяется дифракционным эффектом (зависящим от l) и угловой апертурой , не превышающей угла скольжения. Например, для излучения с l = 1 и угла скольжения в 25" дифракционное разрешение не превышает 85 (увеличение до 100 000 раз). Изображения, создаваемые отражательными рентгеновскими микроскопами даже при точном выполнении профиля их зеркал искажаются различными аберрациями оптических систем (астигматизм, кома).

При использовании для фокусировки рентгеновского излучения изогнутых монокристаллов, помимо геометрических искажений, на качество изображения влияют структурные несовершенства монокристаллов, а также конечная величина брэгговских углов дифракций (см. Дифракция рентгеновских лучей ).

Проекционная Рентгеновская микроскопия основана на принципе теневой проекции объекта в расходящемся пучке рентгеновских лучей, испускаемых «точечным» источником (рис. 2 ). Проекционные рентгеновские микроскопы состоят из сверхмикрофокусного источника рентгеновских лучей с фокусом 0,1-1 мкм в диаметре [например, специальная микрофокусная рентгеновская трубка или камера-обскура (диафрагма) в сочетании с обычной широкофокусной рентгеновской трубкой], камеры для размещения исследуемого объекта и регистрирующего устройства. Увеличение М в методе проекционной Рентгеновская микроскопия определяется отношением расстояний от источника рентгеновского излучения до объекта (а ) и до детектора (b ): М = b/a (см. рис. 3 ).

Линейное разрешение проекционных рентгеновских микроскопов достигает 0,1-0,5 мкм. Геометрическое разрешение определяется величиной нерезкости (полутени) края объекта r зависящей от размера источника рентгеновских лучей d и увеличения М: r = . Дифракционное разрешение зависит от дифракционной френелевской «бахромы» на крае: r = а l 1/2 , где а - расстояние от источника до объекта. Поскольку а практически не может быть меньше 1 мкм, разрешение при l = 1 составит 100 (если размеры источника обеспечат такое же геометрическое разрешение). Контраст в изображении возникает благодаря различному поглощению рентгеновского излучения в областях объекта с различной плотностью или составом; чувствительность метода проекционной Рентгеновская микроскопия определяется отличием коэффициентов поглощения рентгеновского излучения различными участками исследуемого объекта.

Проекционная Рентгеновская микроскопия находит широкое применение для исследований микроскопического строения различных объектов: в медицине(рис. 4 ), в минералогии (рис. 5 ), в металловедении (рис. 6 ) и др. областях науки и техники. С помощью рентгеновского микроскопа можно оценивать качество окраски или тонких покрытий, оклейки или отделки миниатюрных изделий. Он позволяет получать микрорентгенографии биологических и ботанических срезов толщиной до 200 мкм. Его используют также для анализа смеси порошков лёгких и тяжёлых металлов, при изучении внутреннего строения объектов, непрозрачных для световых лучей и электронов. Исследуемые образцы при этом не надо помещать в вакуум, как в электронном микроскопе, они не подвергаются разрушающему действию электронов. Применение в рентгеновских микроскопах различных преобразователей рентгеновских изображений в видимые в сочетании с телевизионными системами позволяет осуществлять оперативный контроль объектов в научно-исследовательских и производственных условиях.

Рис. 5. Рентгеновская микрофотография железной руды: а - силикат железа; б - магнетит. Увеличено.

Статья про слово "Рентгеновская микроскопия " в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 3704 раз

Рентгеновский микроскоп - прибор, исследующий микроскопическую структуру и строение объекта при использовании рентгеновского излучения. Рентгеновский микроскоп имеет больший предел разрешения, чем световой микроскоп, потому что рентгеновское излучение имеет меньшую длину волны, чем световая волна. Рентгеновский микроскоп отличается от оптического светового микроскопа прежде всего оптической системой. Для фокусировки рентгеновских лучей нельзя использовать оптические световые линзы и призмы. Для отражения рентгеновских лучей в рентгеновском микроскопе используют изогнутые зеркальные или кристаллографические плоскости.

Рентгеновские лучи имеют большую проникающую способность и линейную структуру спектра. Рентгеновские микроскопы различаются по способу действия и бывают отражательными и проекционными.

Конструкция отражательного микроскопа включает источник рентгеновского излучения, изогнутые зеркала-отражатели, сделанные из кварца с золотым слоем, или отражателем может быть
изогнутый монокристалл, детектор изображения - фотопленка или электронно-оптический преобразователь. Но отражательные рентгеновские микроскопы не обладают большим разрешением, его ограничивают малый угол полного внешнего отражения, большое фокусное расстояние и трудоемкость качественной обработки зеркальной отражательной поверхности. Отражательные рентгеновские микроскопы создают сильно искаженные изображения. Если для фокусировки применяются изогнутые монокристаллы, изображение тоже получается искаженным из-за структуры самого монокристалла. Поэтому рентгеновские отражательные микроскопы не имеют широкого применения. Более эффективными оказываются проекционные рентгеновские микроскопы. Принцип действия проекционных рентгеновских микроскопов заключается в образовании теневой проекции исследуемого объекта в пучке расходящихся рентгеновских лучей, идущих от точечного источника рентгеновского излучения.

Конструкция проекционного рентгеновского микроскопа включает источник рентгеновских лучей - микрофокусную рентгеновскую трубку, камеру, в которой находится регистрирующее устройство, и камеру, в которой располагается объект исследования. Объект в таком микроскопе находится близко к источнику рентгеновского излучения, потому что в методе рентгеновской микроскопии отношение расстояний от источника излучений до детектора и до объекта дает увеличение изображения. В проекционных рентгеновских микроскопах фокус трубки находится на окне трубки, и их разрешение составляет до
0,5 мкм. Различные области объекта, имеющие разную плотность или состав, по-разному поглощают рентгеновское излучение. И чем больше разница коэффициентов этого поглощения, тем точнее результат и тем чувствительнее рентгеновский микроскоп. Поэтому проекционные рентгеновские микроскопы исследуют микроскопическое строение, структуру и свойства веществ и объектов и используются в различных областях производства и науки: в минералогии, биологии, металлургии, для определения качества отделки поверхностей, внутреннего строения, концентрации составов различных материалов. И при этом исследование проекционным рентгеновским микроскопом осуществляется проще, быстрее и качественнее, чем оптическим световым.