X射线显微镜

1.一种X射线显微镜，包括扩展X射线源(1)，以及用于放置测试物体(3)的装 置(4)以及记录装置(8)，且它们之间设置了X射线毛细透镜(7)，该透镜具有用于 向记录装置(8)发散的辐射传输的通道，所述用于放置测试物体的装置(4)被安装于 所述扩展辐射源(1)和所述X射线毛细透镜(7)的较小端侧(5)之间，其中，用于X 射线毛细透镜(1)的辐射传输的通道(14，16)的壁具有涂层或者由散射X射线辐射 的材料制成，并且确保在没有总外部反射现象的条件下进行辐射传输，并具有截锥 或截棱锥的侧向表面形状，或者圆柱或棱柱的侧向表面形状。

发明领域\n本发明涉及使用辐射方法的投影显微法，尤其涉及通过使用X射线辐射获得包 含内部结构的物体的放大阴影投射的装置，\n发明背景\nX射线显微镜是已知的，它允许获得物体内部结构的图像。这种显微镜的操作 基于由点源发射的发散X射线束中物体的阴影投影的原理(百科全书 “Electronica”，莫斯科，“Sovetskaya Entsiklopediya”出版社，1991， p.478)[1]。该显微镜被称为阴影或投影显微镜。该投射显微镜通常包括显微测焦 X射线管，用于放置被研究物体的室，以及记录装置。辐射源的尺寸且其离开物体 的距离越小，投射X射线显微镜的分辨率越大。使用是已知的，特别是在具有直径 0.1到1μm的焦斑的管的这种显微镜中[1]。为了进一步降低源的有效尺寸，使用 光阑(物理百科全书，莫斯科，“Sovetskaya Entsiklopediya”出版社，1984， p.639)[2]。\n但是，由于降低源尺寸或其光阑，其强度变得不够确保放大图像的可接受的对 比率。克服该缺点需要显著增加曝光时间。为了其有效强度的增强而增加源尺寸导 致所获图像的模糊和分辨率降低。\n由于整个外部反射的X射线毛细光学的创建，扩展(与被研究物体相比)X射线 源的X射线显微镜使用的可能性增加了。在这种显微镜中，含被研究物体的室被置 于扩展X射线源与X射线透镜的入口端面之间，其中通道向图像记录装置发散(国 际申请PCT/RU 94/00189，国际公开WO 96/01991，25.01.96[3])。特别是，所述 参考内容揭示了圆锥X射线透镜和钟型透镜的使用，后者被认为是更有效的。源尺 寸的增加不影响这些显微镜的分辨率，因为它对应于进入X射线毛细透镜的分开通 道的视线区中的物体片段的尺寸。这种设计的X射线显微镜最接近于所提出的显微 镜。\n但是，由于分开通道的直径降低到整体式的技术发展水平所达到的水平，特别 是在整体透镜中(美国专利No.6271534，publ.07.08.2001[4])，X射线透镜的分开 通道的入口尺寸不再是确定因数。这通过所提及的透镜的分开通道的视线区域的尺 寸Δ为Δ＝d+2Lθc(1)来说明的，其中d表示分开通道的入口直径，L是研究 物体与X射线透镜通道的入口之间的距离，以及θc是通道壁材料的总外部反射的 临界角度。\n采用小直径d和较低的辐射能量，特别是，在生物物体的研究中，当角度θc 可以达到10-2弧度式，以上表达式(1)中的第二项变得主要因数。因此，例如，对 于L＝1mm且d＝0，1微米，则可以得到：\nd＝0，1微米＝10-7m＜＜2·10-5m＝2·1·10-3m·10-2＝2Lθc。\n结果，X射线透镜的制造技术的发展不允许使用扩展源增强已知设计的X射线 显微镜的精密特性。\n发明内容\n本发明针对生产技术成果，要点是通过降低使用的毛细透镜的通道直径使得使 用X射线辐射的投射显微镜的分辨率提高同时保持使用扩展(包括，使用超过研究 物体的尺寸)源的可能性，同时消除分辨率对使用的辐射能量的依赖性。所述的技 术成果的类型还具有较小的曝光时间。\n为了实现该技术结果，提出的X射线显微镜与发明[3]中最接近的一种相类似， 该提出的X射线显微镜包括扩展X射线源，以及用于放置研究物体的装置和记录装 置，其中X射线毛细透镜置于它们之间，使得用于辐射传输的通道向记录装置发散。 此处，用于放置研究物体的装置位于扩展X射线源和X射线毛细透镜的入口(较小) 端面之间。\n与最接近的已知装置不同，在提出的X射线显微镜中，X射线毛细透镜通道的 壁具有内部涂层，或者由吸收或散射X射线辐射的材料制成，并被形成为截锥或截 棱锥的侧向表面，或者圆柱或棱柱的侧向表面。\n采用前两种所举类型的表面形状的辐射传输通道的壁，其剖面从入口到出口均 匀地增加，同时采用后两者，则可以在通道长度上保持恒定。在所有这些情况中基 本的是，通道的光轴是直线的。用吸收或散射X射线辐射的材料制成辐射传输通道 的壁，或者用这种材料从内部涂覆，使得辐射反射在穿过通道期间消失。其结果， 根据准直器原理以及通过它们收集在进一步的传播中将碰到壁的辐射的通道功能 将变得不可能。结果，每个通道将仅仅圈闭通过恰好位于该通道的相对入口的研究 物体的片段的辐射。因此，分开通道的视线区域的尺寸由公式(1)而并在没有右侧 第二项的情况下确定。\n附图概述\n用附图示出本发明，其中：\n图1示出X射线显微镜的一般设计图；\n图2示出属于X射线显微镜的透镜的设计，其中辐射传播的发散通道具有向出 口侧增加的剖面；\n图3示出属于X射线显微镜的透镜的设计，其中辐射传播的发散通道具有长度 上恒定的剖面；\n图4示出与图2对应的情况中透镜的剖视图，具有辐射传播通道的两种壁形状；\n图5示出与图3对应的情况中透镜的剖视图，具有辐射传播通道的两种壁形状；\n图6示出在提出的通道和已知装置中分开的透镜通道的视线区域以及X射线辐 射量子的传播路径。\n具体实施方式\n所提出的X射线显微镜包括(图1)X射线源1，它具有扩展孔2，其尺寸不小于 测试物体3的尺寸。后者位于用于放置测试物体的装置(室4)中。位于离开该装置 最近的是X射线毛细透镜6的入口(较小)端侧5。位于出口(较大)端侧7附近的是 对X射线灵敏的辐射记录装置8。穿过测试物体3并用透镜6从其入口5到出口7 端侧传输并用该装置记录的X射线辐射的密度分布的图像9显示于监视器10上。 此处，物体3的图像的线性尺寸的放大与透镜6的出口7和入口5端侧的线性尺寸 比率成比例。\n预先，记录装置8的输出信号可以由个人计算机或配备有控制单元11a的专用 计算装置11进行处理。因此，例如，装置11可以记录没有测试物体3的图像，它 描绘孔2中辐射强度的非均匀性以及通过室4和透镜6的壁的损耗的非均匀性，以 及用于记录图像9的装置8的区域上检测元件灵敏度的不规则性。随后，在观察测 试物体期间，该记录的图片可用于校正所获得的图像，从而它可以仅反映测试物体 密度的内在非均匀性。因此，监视器10屏幕上的图像9表示物体3的内部结构的 非均匀性13的真实图案12。\n事实上，透镜6的功能在于通过许多透镜通道将透镜6的入口端侧处物体3的 阴影图像分解成元素并在于将每个这种元素(通过物体3的一个或另一个片段的相 应的X射线辐射强度)传输到记录装置8的相应检测元件。如果每个透镜通道的输 出信号可以分开记录而不与来自其它通道的输出信号“混合”，可以实现等于透镜 通道的入口直径的分辨率。因此，上述放大比率应对应于记录装置8的分辨率元件 (分开检测元件)的尺寸。\n与入口尺寸相比，这种对应的提供不必需要透镜7处输出的图像元素的实际放 大。这足够实现所述与每个图像元素相对应的信号的分开接收的可能性。在图2 和图3所示的任一透镜设计中可以满足这种条件。\n在它们中的第一个(图2)中，通道14几乎占据所有透镜容积，作为整体，在与 透镜剖面相同的法则下其剖面随长度改变。图2的透镜设计中的通道可以具有一定 形状，特别是圆锥或六面棱锥。它们的剖面在图4中示出。这种形状是技术上最可 行的。(对于剖面的圆形)出口D和入口d直径的比率确定所述放大程度。为了实现 潜在可能的分辨率，装置8的灵敏检测元件不应在尺寸上超出D，同时被置于透镜 通道的相对出口。图2示出几个这种元件15。应在图3所示的透镜的情况下满足 相同条件，其中通道16的剖面在长度上恒定且其出口直径等于入口直径d。服从 该条件的几个检测元件17也在图3中示出。根据图3在透镜设计中技术上最可行 的通道形状是圆柱形和六面棱形。其剖面在图5中示出。\n辐射传输的通道之间的空间应对于X射线辐射是不透明的(否则，它们也将被 认为是“通道”)。\n图2的设计在能量上稍许更有利。在从与图3设计中相同尺寸的物体的片段接 收辐射并提供约相同的分辨率时，由于通道的发散性质它允许获得该片段辐射的更 多部分。\n在这两种设计中，可以仅从严格位于由通道的延续限制的区域中的物体片段的 点获得辐射(参见图6a和图6b)。由于建议选择通道壁材料或其涂层材料，与其壁 成角度进入通道的辐射被吸收或者被散射并不被发送到出口。图6a和6b中，点线 示出穿过到达通道出口的X射线辐射量子的传播路径，它仅仅可以是直线的路径。 相反，在已知使用总外部反射原理的装置[3]中，可将辐射发送通过通道18，其从 位于图6a和6b所示的区域外侧的物体片段进入通道入口(参见图6c)。如果入口 处到通道的辐射传播方向与其壁形成小于临界θc的角度，这就会发生。因此，如 图6c所示，达到通道出口的量子通过直线(由点线表示)和虚线(由实线表示)路径 两者传播。\n在所实施的试验中，对于具有约0.1mm的线性尺寸的源来说，获得具有1微米 级分辨率的物体图像，即源孔的面积超出分辨率元件约10000倍。现存在着为获得 0.1微米或更佳的水平上的将来分辨率所必须的所有先决条件。\n确定所提出的显微镜的实际使用的前景的基本因素是信息增益的比率。根据估 计，比使用普通投射X射线显微方法高出(10-100)千倍。\n由于对所使用的源的强度限制的取消，获得这种优点。由于它不应是显微测焦 的那种并可以有限尺寸，即使使用低功率X射线管也可以获得高度有效的强度。\n以上实例设计具有10W以下功率的管和具有106级的通道数量的圆锥X射线透 镜。\n产业应用性\n可以在所述大量实施例中的任一个的实践来实现所提出的装置，允许根据制造 设备以及一个或另一个偏好的其它基础选择通道的透镜设计和具体形状。\n实例性认可的特性允许期待所提出的X射线显微镜广泛使用在直接产业，特别 是在微技术和科学研究中，首先是生物学和医学中。\n以上涉及的所有设计原理和实现的结果可相同地应用于使用其它形式的中性 粒子流和带电粒子流的辐射类型的显微镜，中性粒子流例如特别是中子、伽马量子、 紫外线和红外线辐射、可见光以及带电粒子流形式例如离子。\n信息来源\n1.百科全书“Electronica”，莫斯科，“Sovetskaya Entsiklopediya”出版社， 1991。\n2.物理百科全书，莫斯科，“Sovetskaya Entsiklopediya”出版社，1984。\n3.国际申请PCT/RU94/00189，国际出版WO 96/01991，25.01.96。\n4.美国专利No.6271534，publ.07.08.2001。