Что (кто) такое Рентгеновская микроскопия - определение

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 < 0,5°), а следовательно, большими фокусными расстояниями (> 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).

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

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 = аλ^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. 5. Рентгеновская микрофотография железной руды: а - силикат железа; б - магнетит. Увеличено.

Рис. 4. Рентгеновская микрофотография среза берцовой кости человека в месте перелома (по прошествии 28 дней после перелома). Видно клеточное строение костной ткани - остеоны и остеоциты (белые точки). Увеличено.

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.

Рис. 2. Схема проекционного рентгеновского микроскопа с использованием широкофокусной рентгеновской трубки и камеры-обскуры.

Рис. 3. Образование полутени Pr и дифракционной "бахромы" в проекционном рентгеновском микроскопе.