Рентгеновская микроскопия

Определение "Рентгеновская микроскопия" в Большой Советской Энциклопедии

Микроструктура сплава алюминия (оптический микроскоп)

Рентгеновская микроскопия, совокупность методов исследования микроскопического строения объектов с помощью рентгеновского излучения. В Рентгеновская микроскопия используют 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.

Микроструктура сплава алюминия (рентгеновский микроскоп)

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).

Образование полутени и дифракционной «бахромы» в проекционном рентгеновском микроскопе

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).

Рентгеновская микрофотография железной руды

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.

Рентгеновская микрофотография среза кости человека

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).

Схема проекционного рентгеновского микроскопа

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.

Схема фокусировки рентгеновских лучей

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 = аl^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.

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.

OO" — оптическая ось системы; А — объект; A" — его изображение. Увеличение O"A"/OA." href="/a_pictures/18/10/288587173.jpg">OO" — оптическая ось системы; А — объект; A" — его изображение. Увеличение O"A"/OA."http://oxygen.atomistry.com/">OO" — оптическая ось системы; А — объект; A" — его изображение. Увеличение O"A"/OA." src="a_pictures/18/10/th_288587173.jpg">
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. 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. 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.

Pr и дифракционной «бахромы» в проекционном рентгеновском микроскопе." href="/a_pictures/18/10/236993222.jpg">Pr и дифракционной «бахромы» в проекционном рентгеновском микроскопе."http://praseodymium.atomistry.com/">Pr и дифракционной «бахромы» в проекционном рентгеновском микроскопе." src="a_pictures/18/10/th_236993222.jpg">
Рис. 3. Образование полутени Pr и дифракционной «бахромы» в проекционном рентгеновском микроскопе.