Рентгеновская микроскопия 2017-06-08T09:44:59+00:00

Рентгеновская микроскопия

В 1996 году Анатолий Снигирев с коллегами провели эксперимент с составными преломляющими линзами, в котором показывают возможность фокусировки рентгеновского излучения в пятна размером в несколько микрометров. В настоящий момент преломляющая оптика получила широкое распространение и внедрение: более 1000 статей выпущено по тематике преломляющей оптики, преломляющая оптика является стандартным инструментом фокусировки на мировых исследовательских станциях синхротронного излучения.

    Составная преломляющая оптика c параболическим профилем (CRL) достаточно сильно выделяется среди других рентгенооптических элементов благодаря простоте изготовления и применения, эффективности фокусировки и коллимации, большому энергетическому диапазону от 2 до 200 KeV, правильной передачи изображений – микроскопия. Кроме того, у данной оптики есть еще одно мощное направление – когерентная оптика: фурье-оптика, интерферометрия, совместимость с кристаллооптикой и когерентная микроскопия
    Показатель преломления для рентгеновских лучей можно записать в виде n=1-δ+iβ, где β – коэффициент поглощения, а δ – декремент показателя преломления. Из-за малого значения δ для фокусировки рентгеновского излучения необходима линза с радиусом всего несколько микрон. Но для преодоления этой проблемы было предложено использовать так называемые составные преломляющие линзы (СRL), состоящие из линейного массива некоторого числа простых линз, изготовленных из материалов с малым атомарным номером (например, бор, углерод, алюминий, полимеры, бериллий).
На рисунке показано такое расположение линз, которое приводит к фокусировке рентгеновских лучей. Фокус одиночной линзы (а) F=R/2δ, где R – радиус линзы. Соединение из N количества линз имеет фокусное расстояние F=R/2Nδ. Например, для алюминия при энергии рентгеновского излучения 14 кэВ декремент показателя преломления δ=2,8х10-5. Следовательно, для одной линзы фокусное расстояние составляет F=54 м, в то время как для CRL состоящей из 30 одиночных линз уменьшает фокусное расстояние до 1.8 м, что делает его приемлемым для многих микрофокусных экспериментов.
По сравнению с другими инструментами, составные преломляющие линзы имеют целый ряд преимуществ. В отличие от зеркальной оптики, CRL не меняет траекторию рентгеновского луча. Составные линзы являются более компактными поэтому для них не нужны сложные изгибающие механизмы. Также для линз, вследствие геометрии передачи рассеяния, значительно ниже требования к качеству поверхности. Настройка и выравнивание CRL очень проста. Первая составная преломляющая линза фокусировала только в одном направлении, поскольку представляла собой цилиндрические отверстия в алюминиевом блоке (рисунок 2). Фокусировка в обоих направлениях, в результате чего получается точечный фокус, может быть достигнута двумя способами. Самый простой способ фокусировки в обоих направлениях достигается благодаря использованию двух массивов цилиндрических отверстий в скрещенной геометрии, но качество фокального пятна может быть улучшено с помощью трех массивов отверстий вод углом 120° друг к другу в стержне гексагональной формы. Преимуществом CRL является простота использования и дешевизна их изготовления. Следующим этапом развития преломляющей оптики стало изготовление линзы с параболическим профилем, поскольку такая линза обладает меньшими аберрациями. При выборе правильного материала и геометрии, такие линзы можно также успешно использовать и в нейтронных приложениях.
Проекционные и зондовые методы рентгеновской микроскопии 
Рентгеновские методы исследования, с использованием синхротронного излучения, являются мощными не разрушающими инструментами исследования во многих областях науки, таких как физика, медицина, биология, химия, экология, геофизика и т.д. Сегодня, одним из наиболее перспективных направлений, на источниках синхротронного излучения по всему миру, является развитие методов микроскопии с использованием преломляющей и дифракционной оптики. Актуальные работы в данной области посвящены исследованию биологических объектов и фотоэлементов. Условно, такие методы можно разделить на проекционные (микроскопия) и зондовые методы исследования (нанозонд). Проекционные методы дают возможность изучения внутренней структуры, чаще всего даже без специальной подготовки исследуемых образцов.
На рисунке выше представлена концептуальная схема рентгеновского микроскопа. Как правило, микроскоп состоит из конденсора, линз объектива и детектора. В качестве конденсора чаще всего используется трансфокатор, устройство позволяющее плавно изменять фокусное расстояние. Для регистрации изображения используется высокоразрешающий ПЗС детектор.  На рисунке 4 показано изображение тестового объекта (Siemens Star) полученное при такой конфигурации микроскопа и использованием 45 параболических бериллиевых линз с радиусов закругления 50 мкм. В результате на изображении отчетливо видно разрешение 200 нм, а дальнейший тест оптических устройств показал, что сама оптика настолько высокого качества, что можно достичь и суб-100 нм разрешения. Вся оптика, использовавшееся в такой схеме, находится в ин-лайн геометрии, что позволяет быстро переключаться между режимами микроскопии, а так же, и микро- и нано- дифракции. Такой синхронизованный режим рентгеновской микроскопии и высокоразрешающей дифракции прост в реализации и может быть применен для изучения таких объектов как, например, инвертированные фотонные кристаллы.