РЕНТГЕНОВСКАЯ МИКРОСКОПИЯ

РЕНТГЕНОВСКАЯ МИКРОСКОПИЯ, совокупность методов исследования мик-роскопич. строения объектов с помощью рентгеновского излучения. В Р. м. используют спец. приборы - рентгеновские микроскопы. Их предел разрешения может быть на 2-3 порядка выше, чем световых, поскольку длина волны X рентгеновского излучения на 2-3 порядка меньше длины волны видимого света. Специфичность взаимодействия рентгеновских лучей с веществом обусловливает отличие рентгеновских оптич. систем от оптич. 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. Электрич. и магнитные линзы для этой цели также неприменимы, т. к. рентгеновские лучи инертны к электрич. и магнитному полям. Поэтому в Р. м. для фокусировки рентгеновских лучей используют явление их полного внешнего отражения изогнутыми зеркальными плоскостями или отражение от кристаллографич. 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). 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 ~10 А). Полное разрешение отражательных рентгеновских микроскопов определяется дифракционным эффектом (зависящим от X.) и угловой апертурой, не превышающей угла скольжения. Напр., для излучения с Л=lA и угла скольжения в 25‘ дифракционное разрешение не превышает 85 А (увеличение до 100 000 раз). Изображения, создаваемые отражательными рентгеновскими микроскопами даже при точном выполнении профиля их зеркал искажаются различными аберрациями оптических систем (астигматизм, кома).

Рис. 1. Схема фокусировки рентгеновских лучей в отражательном рентгеновском микроскопе с 2 скрещёнными зеркалами: ОО‘ - оптическая ось системы; А - объект; А‘ - его изображение. Увеличение О‘А‘/ОА.

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

При использовании для фокусировки рентгеновского излучения изогнутых монокристаллов, помимо геометрич. 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 технич. 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 [напр., спец. 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/а (см. рис. 3).

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

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, помещённой вблизи окна трубки.

Линейное разрешение проекционных рентгеновских микроскопов достигает 0,1-0,5 мкм. Геометрич. разрешение определяется величиной нерезкости (полутени) края объекта Р_г, зависящей от размера источника рентгеновских лучей d и увеличения М: Рг = Мd. Дифракционное разрешение зависит от дифракционной френелевской "бахромы" на крае: Р_д = аЛ¹/₂, где а - расстояние от источника до объекта. Поскольку а практически не может быть меньше 1 мкм, разрешение при Л=1А составит 100 А (если размеры источника обеспечат такое же геометрич. 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 микроскопич. 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 биологич. и бота-нич. 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 н.-и. и производств, условиях.

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). Увеличение в 50 раз.

Рис. 5. Рентгеновская микрофотография железной руды: а - силикат железа; б - магнетит. Увеличение в 50 раз.

Рис. 6. Снимки микроструктуры сплава алюминия с 5% меди, полученные с помощью оптического (а) и рентгеновского (б) микроскопов. 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 (микро-дендриты - тёмные полосы, скопления атомов меди по границам субзёрен - светлые линии). На верхних снимках увеличение в 250 раз, на нижних - в 100 раз.

Лит.: У м а н с к и и 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; Л ю т ц а у В. Г., Рентгеновская теневая микроскопия включений, неоднородности состава зерен и примесей по их границам, "Заводская лаборатория", 1959, т. 25, № 3; С о s s I e t t V. E., Nixon W. С., X-ray microscopy, Camb., 1960. В. Г. Лютцау.