專利名稱：X射線顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用輻射方法的投影顯微法，尤其涉及通過使用X射線輻射獲得包含內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物體的放大陰影投射的裝置，發(fā)明背景X射線顯微鏡是已知的，它允許獲得物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像。這種顯微鏡的操作基于由點(diǎn)源發(fā)射的發(fā)散X射線束中物體的陰影投影的原理(百科全書“Electronica”，莫斯科，“Sovetskaya Entsiklopediya”出版社，1991，p.478)[1]。該顯微鏡被稱為陰影或投影顯微鏡。該投射顯微鏡通常包括顯微測焦X射線管，用于放置被研究物體的室，以及記錄裝置。輻射源的尺寸且其離開物體的距離越小，投射X射線顯微鏡的分辨率越大。使用是已知的，特別是在具有直徑0.1到1μm的焦斑的管的這種顯微鏡中[1]。為了進(jìn)一步降低源的有效尺寸，使用光闌(物理百科全書，莫斯科，“Sovetskaya Entsiklopediya”出版社，1984，p.639)[2]。
但是，由于降低源尺寸或其光闌，其強(qiáng)度變得不夠確保放大圖像的可接受的對比率?？朔撊秉c(diǎn)需要顯著增加曝光時(shí)間。為了其有效強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加源尺寸導(dǎo)致所獲圖像的模糊和分辨率降低。
由于整個(gè)外部反射的X射線毛細(xì)光學(xué)的創(chuàng)建，擴(kuò)展(與被研究物體相比)X射線源的X射線顯微鏡使用的可能性增加了。在這種顯微鏡中，含被研究物體的室被置于擴(kuò)展X射線源與X射線透鏡的入口端面之間，其中通道向圖像記錄裝置發(fā)散(國際申請PCT/RU 94/00189，國際公開WO 96/01991，25.01.96[3])。特別是，所述參考內(nèi)容揭示了圓錐X射線透鏡和鐘型透鏡的使用，后者被認(rèn)為是更有效的。源尺寸的增加不影響這些顯微鏡的分辨率，因?yàn)樗鼘?yīng)于進(jìn)入X射線毛細(xì)透鏡的分開通道的視線區(qū)中的物體片段的尺寸。這種設(shè)計(jì)的X射線顯微鏡最接近于所提出的顯微鏡。
但是，由于分開通道的直徑降低到整體式的技術(shù)發(fā)展水平所達(dá)到的水平，特別是在整體透鏡中(美國專利No.6271534，publ.07.08.2001[4])，X射線透鏡的分開通道的入口尺寸不再是確定因數(shù)。這通過所提及的透鏡的分開通道的視線區(qū)域的尺寸Δ為Δ＝d+2Lθc(1)來說明的，其中d表示分開通道的入口直徑，L是研究物體與X射線透鏡通道的入口之間的距離，以及θc是通道壁材料的總外部反射的臨界角度。
采用小直徑d和較低的輻射能量，特別是，在生物物體的研究中，當(dāng)角度θc可以達(dá)到10-2弧度式，以上表達(dá)式(1)中的第二項(xiàng)變得主要因數(shù)。因此，例如，對于L＝1mm且d＝0，1微米，則可以得到d＝0，1微米＝10-7m＜＜2·10-5m＝2·1·10-3m·10-2＝2Lθc。
結(jié)果，X射線透鏡的制造技術(shù)的發(fā)展不允許使用擴(kuò)展源增強(qiáng)已知設(shè)計(jì)的X射線顯微鏡的精密特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對生產(chǎn)技術(shù)成果，要點(diǎn)是通過降低使用的毛細(xì)透鏡的通道直徑使得使用X射線輻射的投射顯微鏡的分辨率提高同時(shí)保持使用擴(kuò)展(包括，使用超過研究物體的尺寸)源的可能性，同時(shí)消除分辨率對使用的輻射能量的依賴性。所述的技術(shù)成果的類型還具有較小的曝光時(shí)間。
為了實(shí)現(xiàn)該技術(shù)結(jié)果，提出的X射線顯微鏡與發(fā)明[3]中最接近的一種相類似，該提出的X射線顯微鏡包括擴(kuò)展X射線源，以及用于放置研究物體的裝置和記錄裝置，其中X射線毛細(xì)透鏡置于它們之間，使得用于輻射傳輸?shù)耐ǖ老蛴涗浹b置發(fā)散。此處，用于放置研究物體的裝置位于擴(kuò)展X射線源和X射線毛細(xì)透鏡的入口(較小)端面之間。
與最接近的已知裝置不同，在提出的X射線顯微鏡中，X射線毛細(xì)透鏡通道的壁具有內(nèi)部涂層，或者由吸收或散射X射線輻射的材料制成，并被形成為截錐或截棱錐的側(cè)向表面，或者圓柱或棱柱的側(cè)向表面。
采用前兩種所舉類型的表面形狀的輻射傳輸通道的壁，其剖面從入口到出口均勻地增加，同時(shí)采用后兩者，則可以在通道長度上保持恒定。在所有這些情況中基本的是，通道的光軸是直線的。用吸收或散射X射線輻射的材料制成輻射傳輸通道的壁，或者用這種材料從內(nèi)部涂覆，使得輻射反射在穿過通道期間消失。其結(jié)果，根據(jù)準(zhǔn)直器原理以及通過它們收集在進(jìn)一步的傳播中將碰到壁的輻射的通道功能將變得不可能。結(jié)果，每個(gè)通道將僅僅圈閉通過恰好位于該通道的相對入口的研究物體的片段的輻射。因此，分開通道的視線區(qū)域的尺寸由公式(1)而并在沒有右側(cè)第二項(xiàng)的情況下確定。
附圖概述用附圖示出本發(fā)明，其中

圖1示出X射線顯微鏡的一般設(shè)計(jì)圖；圖2示出屬于X射線顯微鏡的透鏡的設(shè)計(jì)，其中輻射傳播的發(fā)散通道具有向出口側(cè)增加的剖面；圖3示出屬于X射線顯微鏡的透鏡的設(shè)計(jì)，其中輻射傳播的發(fā)散通道具有長度上恒定的剖面；圖4示出與圖2對應(yīng)的情況中透鏡的剖視圖，具有輻射傳播通道的兩種壁形狀；圖5示出與圖3對應(yīng)的情況中透鏡的剖視圖，具有輻射傳播通道的兩種壁形狀；圖6示出在提出的通道和已知裝置中分開的透鏡通道的視線區(qū)域以及X射線輻射量子的傳播路徑。
具體實(shí)施例方式
所提出的X射線顯微鏡包括(圖1)X射線源1，它具有擴(kuò)展孔2，其尺寸不小于測試物體3的尺寸。后者位于用于放置測試物體的裝置(室4)中。位于離開該裝置最近的是X射線毛細(xì)透鏡6的入口(較小)端側(cè)5。位于出口(較大)端側(cè)7附近的是對X射線靈敏的輻射記錄裝置8。穿過測試物體3并用透鏡6從其入口5到出口7端側(cè)傳輸并用該裝置記錄的X射線輻射的密度分布的圖像9顯示于監(jiān)視器10上。此處，物體3的圖像的線性尺寸的放大與透鏡6的出口7和入口5端側(cè)的線性尺寸比率成比例。
預(yù)先，記錄裝置8的輸出信號可以由個(gè)人計(jì)算機(jī)或配備有控制單元11a的專用計(jì)算裝置11進(jìn)行處理。因此，例如，裝置11可以記錄沒有測試物體3的圖像，它描繪孔2中輻射強(qiáng)度的非均勻性以及通過室4和透鏡6的壁的損耗的非均勻性，以及用于記錄圖像9的裝置8的區(qū)域上檢測元件靈敏度的不規(guī)則性。隨后，在觀察測試物體期間，該記錄的圖片可用于校正所獲得的圖像，從而它可以僅反映測試物體密度的內(nèi)在非均勻性。因此，監(jiān)視器10屏幕上的圖像9表示物體3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非均勻性13的真實(shí)圖案12。
事實(shí)上，透鏡6的功能在于通過許多透鏡通道將透鏡6的入口端側(cè)處物體3的陰影圖像分解成元素并在于將每個(gè)這種元素(通過物體3的一個(gè)或另一個(gè)片段的相應(yīng)的X射線輻射強(qiáng)度)傳輸?shù)接涗浹b置8的相應(yīng)檢測元件。如果每個(gè)透鏡通道的輸出信號可以分開記錄而不與來自其它通道的輸出信號“混合”，可以實(shí)現(xiàn)等于透鏡通道的入口直徑的分辨率。因此，上述放大比率應(yīng)對應(yīng)于記錄裝置8的分辨率元件(分開檢測元件)的尺寸。
與入口尺寸相比，這種對應(yīng)的提供不必需要透鏡7處輸出的圖像元素的實(shí)際放大。這足夠?qū)崿F(xiàn)所述與每個(gè)圖像元素相對應(yīng)的信號的分開接收的可能性。在圖2和圖3所示的任一透鏡設(shè)計(jì)中可以滿足這種條件。
在它們中的第一個(gè)(圖2)中，通道14幾乎占據(jù)所有透鏡容積，作為整體，在與透鏡剖面相同的法則下其剖面隨長度改變。圖2的透鏡設(shè)計(jì)中的通道可以具有一定形狀，特別是圓錐或六面棱錐。它們的剖面在圖4中示出。這種形狀是技術(shù)上最可行的。(對于剖面的圓形)出口D和入口d直徑的比率確定所述放大程度。為了實(shí)現(xiàn)潛在可能的分辨率，裝置8的靈敏檢測元件不應(yīng)在尺寸上超出D，同時(shí)被置于透鏡通道的相對出口。圖2示出幾個(gè)這種元件15。應(yīng)在圖3所示的透鏡的情況下滿足相同條件，其中通道16的剖面在長度上恒定且其出口直徑等于入口直徑d。服從該條件的幾個(gè)檢測元件17也在圖3中示出。根據(jù)圖3在透鏡設(shè)計(jì)中技術(shù)上最可行的通道形狀是圓柱形和六面棱形。其剖面在圖5中示出。
輻射傳輸?shù)耐ǖ乐g的空間應(yīng)對于X射線輻射是不透明的(否則，它們也將被認(rèn)為是“通道”)。
圖2的設(shè)計(jì)在能量上稍許更有利。在從與圖3設(shè)計(jì)中相同尺寸的物體的片段接收輻射并提供約相同的分辨率時(shí)，由于通道的發(fā)散性質(zhì)它允許獲得該片段輻射的更多部分。
在這兩種設(shè)計(jì)中，可以僅從嚴(yán)格位于由通道的延續(xù)限制的區(qū)域中的物體片段的點(diǎn)獲得輻射(參見圖6a和圖6b)。由于建議選擇通道壁材料或其涂層材料，與其壁成角度進(jìn)入通道的輻射被吸收或者被散射并不被發(fā)送到出口。圖6a和6b中，點(diǎn)線示出穿過到達(dá)通道出口的X射線輻射量子的傳播路徑，它僅僅可以是直線的路徑。相反，在已知使用總外部反射原理的裝置[3]中，可將輻射發(fā)送通過通道18，其從位于圖6a和6b所示的區(qū)域外側(cè)的物體片段進(jìn)入通道入口(參見圖6c)。如果入口處到通道的輻射傳播方向與其壁形成小于臨界θc的角度，這就會發(fā)生。因此，如圖6c所示，達(dá)到通道出口的量子通過直線(由點(diǎn)線表示)和虛線(由實(shí)線表示)路徑兩者傳播。
在所實(shí)施的試驗(yàn)中，對于具有約0.1mm的線性尺寸的源來說，獲得具有1微米級分辨率的物體圖像，即源孔的面積超出分辨率元件約10000倍?，F(xiàn)存在著為獲得0.1微米或更佳的水平上的將來分辨率所必須的所有先決條件。
確定所提出的顯微鏡的實(shí)際使用的前景的基本因素是信息增益的比率。根據(jù)估計(jì)，比使用普通投射X射線顯微方法高出(10-100)千倍。
由于對所使用的源的強(qiáng)度限制的取消，獲得這種優(yōu)點(diǎn)。由于它不應(yīng)是顯微測焦的那種并可以有限尺寸，即使使用低功率X射線管也可以獲得高度有效的強(qiáng)度。
以上實(shí)例設(shè)計(jì)具有10W以下功率的管和具有106級的通道數(shù)量的圓錐X射線透鏡。
產(chǎn)業(yè)應(yīng)用性可以在所述大量實(shí)施例中的任一個(gè)的實(shí)踐來實(shí)現(xiàn)所提出的裝置，允許根據(jù)制造設(shè)備以及一個(gè)或另一個(gè)偏好的其它基礎(chǔ)選擇通道的透鏡設(shè)計(jì)和具體形狀。
實(shí)例性認(rèn)可的特性允許期待所提出的X射線顯微鏡廣泛使用在直接產(chǎn)業(yè)，特別是在微技術(shù)和科學(xué)研究中，首先是生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中。
以上涉及的所有設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)的結(jié)果可相同地應(yīng)用于使用其它形式的中性粒子流和帶電粒子流的輻射類型的顯微鏡，中性粒子流例如特別是中子、伽馬量子、紫外線和紅外線輻射、可見光以及帶電粒子流形式例如離子。
信息來源1.百科全書“Electronica”，莫斯科，“Sovetskaya Entsiklopediya”出版社，1991。
2.物理百科全書，莫斯科，“Sovetskaya Entsiklopediya”出版社，1984。
3.國際申請PCT/RU94/00189，國際出版WO 96/01991，25.01.96。
4.美國專利No.6271534，publ.07.08.2001。
權(quán)利要求
1.一種X射線顯微鏡，包括擴(kuò)展X射線源(1)，以及用于放置測試物體(3)的裝置(4)以及記錄裝置(8)，且它們之間設(shè)置了X射線毛細(xì)透鏡(7)，該透鏡具有用于向記錄裝置(8)發(fā)散的輻射傳輸?shù)耐ǖ?，所述用于放置測試物體的裝置(4)被安裝于所述擴(kuò)展輻射源(1)和所述X射線毛細(xì)透鏡(7)的較小端側(cè)(5)之間，其中，用于X射線毛細(xì)透鏡(1)的輻射傳輸?shù)耐ǖ?14，16)的壁具有涂層或者由吸收或散射X射線輻射的材料制成，以便排除總外部反射的現(xiàn)象，并具有截錐或截棱錐的側(cè)向表面形狀，或者圓柱或棱柱的側(cè)向表面形狀。
全文摘要
一種X射線顯微鏡，包括擴(kuò)展X射線源，以及用于放置測試物體3的裝置以及記錄裝置，且它們之間設(shè)置了X射線毛細(xì)透鏡。后者的通道向記錄裝置發(fā)散。用于放置測試物體的裝置被設(shè)置于擴(kuò)展X射線源和X射線毛細(xì)透鏡的較小端側(cè)之間。該裝置的特點(diǎn)是用于輻射傳輸?shù)耐ǖ?14，16)的壁具有涂層或者由吸收或散射X射線輻射的材料制成，并具有截錐或截棱錐的側(cè)向表面形狀，或者圓柱或棱柱的側(cè)向表面形狀。采用具體選擇的材料，可以排除總外部反射的現(xiàn)象，同時(shí)通道的縱向軸的直線性確保它們用作準(zhǔn)直器。因此，通道僅獲取來自準(zhǔn)確地位于其入口對面的測試物體3的片段的輻射。與已知裝置相比，排除了總外部反射的以從零到臨界角度θc的角度進(jìn)入通道18的輻射獲取。由此，分辨率完全由通道入口的降低尺寸的技術(shù)可能性確定。使用擴(kuò)展X射線的能力允許充分降低曝光時(shí)間同時(shí)降低X射線管的功率。
文檔編號G01N23/02GK1623209SQ02828468
公開日2005年6月1日 申請日期2002年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月5日
發(fā)明者姆拉丁·阿布比奇羅維奇·庫馬科夫 申請人:姆拉丁·阿布比奇羅維奇·庫馬科夫