РЕНТГЕНОВСКИЙ МИКРОСКОП Российский патент 2004 года по МПК G01N23/04 G21K1/06 

Область техники

Изобретение относится к проекционной микроскопии с использованием радиационных методов, более конкретно к средствам для получения увеличенной теневой проекции объекта, включая его внутреннюю структуру, с использованием рентгеновского излучения.

Предшествующий уровень техники

Известен рентгеновский микроскоп, позволяющий получать изображение внутреннего строения объектов. Действие такого микроскопа основано на принципе теневой проекции объекта в расходящемся пучке рентгеновских лучей, испускаемых точечным источником (Энциклопедический словарь “Электроника”, Москва, Советская энциклопедия, 1991, с.478. [1]). Данный микроскоп получил название теневого или проекционного. Проекционный микроскоп обычно содержит микрофокусную рентгеновскую трубку, камеру для размещения исследуемого объекта и регистрирующее средство. Разрешение проекционного рентгеновского микроскопа тем выше, чем меньше размер источника излучения и расстояние от него до объекта. Известно, в частности, применение в таких микроскопах рентгеновских трубок фокусным пятном 0,1-1 мкм в диаметре [1]. Для дальнейшего уменьшения эффективного размера источника применяют диафрагмирование (Физический энциклопедический словарь, Москва, Советская энциклопедия, 1984, с.639 [2]).

Однако с уменьшением размера источника либо при диафрагмировании его интенсивность становится недостаточной для получения приемлемой контрастности увеличенного изображения. Преодоление этого недостатка требует существенного увеличения времени экспозиции. Увеличение размера источника для повышения его эффективной интенсивности приводит к размытости получаемого изображения и снижению разрешающей способности.

С созданием рентгеновской капиллярной оптики полного внешнего отражения появилась возможность использования в рентгеновских микроскопах протяженных (соизмеримых с исследуемым объектом) рентгеновских источников. В таких микроскопах камера с исследуемым объектом размещается между протяженным рентгеновским источником и входным торцом рентгеновской линзы с каналами, расходящимися в сторону средства для регистрации изображения (международная заявка PCT/RU 94/00189, международная публикация WO 96/01991 от 25.01.96 [3]). Конкретно в указанном источнике описано использование конических рентгеновских линз и линз в форме раструба, причем отмечена более высокая эффективность последних. Увеличение размера источника не сказывается на разрешающей способности этих микроскопов, так как она соответствует размеру фрагмента объекта, попадающего в поле зрения отдельного канала рентгеновской капиллярной линзы. Рентгеновский микроскоп указанной конструкции является наиболее близким к предлагаемому.

Однако с уменьшением диаметра отдельных каналов до уровня, достигнутого при современных технологиях в монолитных и, в особенности, в интегральных линзах (патент США №6271534, опубл. 07.08.2001 [4]), размер входного отверстия отдельного канала рентгеновской линзы перестает быть определяющим фактором. Это объясняется тем, что размер Δ упомянутого поля зрения отдельного канала линзы имеет порядок

где d - входной диаметр отдельного канала,

L - расстояние между исследуемым объектом и входом канала рентгеновской линзы,

θ_с - критический угол полного внешнего отражения от материала стенок каналов.

При малых диаметрах d и невысоких энергиях излучения, используемых, в частности, при исследовании биологических объектов, когда угол θ_c может достигать 10^-2 радиана, второе слагаемое в приведенном выше выражении (1) становится преобладающим. Так, например, при L=1 мм и d=0,1 микрона имеем

d=0,1 микрона = 10^-7 м << 2·10^-5 м = 2·l·10^-3 м·10^-2 = 2Lθ_c.

В результате совершенствование технологии изготовления рентгеновских линз не позволяет повысить точностные показатели рентгеновских микроскопов описанной известной конструкции, использующих протяженные источники.

Раскрытие изобретения

Предлагаемое изобретение направлено на получение технического результата, заключающегося в повышении разрешающей способности проекционного микроскопа, использующего рентгеновское излучение, путем уменьшения диаметра каналов используемой капиллярной линзы при сохранении возможности использования протяженного (в том числе и превосходящего размеры исследуемого объекта) источника с одновременным исключением зависимости разрешающей способности от энергии используемого излучения. Указанные виды технического результата сочетаются с малым временем экспозиции.

Для достижения данного технического результата предлагаемый рентгеновский микроскоп, как и указанный выше, наиболее близкий к нему, известный из патента [3], содержит протяженный рентгеновский источник, а также средство для размещения исследуемого объекта и средство для регистрации и расположенную между ними рентгеновскую капиллярную линзу, имеющую каналы транспортировки излучения, расходящиеся в сторону средства для регистрации. При этом средство для размещения исследуемого объекта установлено между протяженным рентгеновским источником и входным (меньшим) торцом рентгеновской капиллярной линзы.

В отличие от наиболее близкого известного устройства в предлагаемом рентгеновском микроскопе стенки каналов рентгеновской капиллярной линзы имеют изнутри покрытие или выполнены из материала, поглощающего или рассеивающего рентгеновское излучение, для исключения явления полного внешнего отражения и имеют форму либо боковой поверхности усеченного конуса или пирамиды, либо цилиндра или призмы.

При первых двух названных видах формы поверхности стенок каналов транспортировки излучения их поперечное сечение равномерно увеличивается в направлении от входа к выходу, а при двух последних остается постоянным по длине канала. Важно то, что во всех этих случаях оптические оси каналов прямолинейны. Выполнение стенок каналов транспортировки излучения из материала, поглощающего или рассеивающего рентгеновское излучение, либо покрытие их изнутри таким материалом обеспечивает отсутствие отражения излучения при прохождении его по каналам. Вследствие этого каналы работают по принципу коллиматоров и оказывается невозможным захват ими излучения, которое при дальнейшем распространении в канале встретится со стенкой. В итоге каждым каналом может быть захвачено только излучение, прошедшее через фрагмент исследуемого объекта, находящийся точно напротив входа этого канала. Поэтому размер поля зрения отдельного канала определяется формулой (1) без второго слагаемого в правой части.

Краткое описание чертежей

Предлагаемое и изобретение иллюстрируется чертежами, на которых показаны:

на фиг.1 - общая схема компоновки узлов рентгеновского микроскопа;

на фиг.2 - выполнение входящей в состав рентгеновского микроскопа линзы с расходящимися каналами транспортировки излучения, имеющими увеличивающееся в сторону выхода поперечное сечение;

на фиг.3 - выполнение входящей в состав рентгеновского микроскопа линзы с расходящимися каналами транспортировки излучения, имеющими постоянное по длине поперечное сечение;

на фиг.4 - вид поперечного сечения линзы в случае, соответствующем фиг.2, при двух формах стенок каналов транспортировки излучения;

на фиг.5 - вид поперечного сечения линзы в случае, соответствующем фиг.3, при двух формах стенок каналов транспортировки излучения;

на фиг.6 - поля зрения отдельных каналов линзы и траектории распространения квантов рентгеновского излучения в каналах предлагаемого и известного устройств.

Варианты осуществления изобретения

Предлагаемый рентгеновский микроскоп содержит (фиг.1) рентгеновский источник 1 с протяженной апертурой 2, имеющей размеры не менее исследуемого объекта 3. Последний находится в средстве (камере 4) для размещения исследуемого объекта. В максимальной близости от этого средства расположен входной (меньший) торец 5 рентгеновской капиллярной линзы 6. Возле выходного (большего) торца 7 расположено чувствительное к рентгеновскому излучению средство 8 для регистрации. Зарегистрированная этим средством картина 9 распределения плотности рентгеновского излучения, прошедшего через исследуемый объект 3 и перенесенного линзой 6 от ее входного торца 5 к выходному 7, воспроизводится монитором 10. При этом происходит увеличение линейных размеров изображения объекта 3 пропорционально соотношению линейных размеров выходного 7 и входного 5 торцов линзы 6.

Предварительно выходные сигналы средства 8 для регистрации могут быть подвергнуты обработке в персональном компьютере или специализированном вычислительном средстве 11, снабженном блоком управления 11а. Так, например, в средстве 11 может быть зафиксирована картина при отсутствии исследуемого объекта 3, отражающая неравномерность интенсивности излучения по апертуре 2 и неравномерность ее потерь при прохождении через стенки камеры 4, линзу 6, а также неравномерность чувствительности детектирующих элементов по площади средства 8 для регистрации 9. В дальнейшем при наблюдении исследуемого объекта эта предварительно зафиксированная картина может быть использована для коррекции получаемого изображения с тем, чтобы оно отражало только собственную неравномерность плотности исследуемого объекта. Благодаря этому в картине 9 на экране монитора 10 правильно представлены изображения 12 неоднородностей 13 внутренней структуры объекта 3.

Фактическая функция линзы 6 заключается в разделении теневого изображения объекта 3 на входном торце линзы 6 на элементы по числу каналов линзы и транспортировании каждого из таких элементов (в виде соответствующей ему интенсивности рентгеновского излучения, прошедшего через тот или иной фрагмент объекта 3) к соответствующему детектирующему элементу средства 8 для регистрации. Разрешающая способность, равная входному диаметру каналов линзы, может быть реализована, если выходной сигнал каждого из каналов линзы может быть зафиксирован отдельно, без “перемешивания” с выходными сигналами других каналов. Поэтому упомянутая выше степень увеличения должна соответствовать размеру элемента разрешения (отдельного детектирующего элемента) средства 8 для регистрации.

Обеспечение такого соответствия необязательно требует фактического увеличения размера элемента изображения на выходе линзы 7 по сравнению с размером на входе. Достаточно реализовать упомянутую возможность раздельного приема сигналов, соответствующих каждому из элементов изображения. Это условие может быть выполнено в любой из показанных на фиг.2 и 3 конструкций линзы.

В первой из них (фиг.2) каналы 14 заполняют практически весь объем линзы, изменяя свое поперечное сечение по длине по такому же закону, как и поперечное сечение линзы в целом. Каналы в конструкции линзы по фиг.2 могут иметь вид, в частности, кругового конуса или шестигранной пирамиды. Их поперечное сечение показано на фиг.4. Такая форма наиболее технологична. Соотношение выходного D и входного d диаметров (при круглой форме поперечного сечения) определяет упомянутую степень увеличения. Для того чтобы была реализована потенциально возможная разрешающая способность, размеры чувствительных детектирующих элементов средства 8 для регистрации должны быть не более D, а расположены они должны быть напротив выходов каналов линзы. На фиг.2 показано несколько из таких элементов 15. Такое же условие должно быть выполнено и при использовании линзы, показанной на фиг.3, в которой поперечное сечение каналов 16 постоянно по длине и их выходной диаметр равен входному диаметру d. Несколько детектирующих элементов 17, удовлетворяющих этому условию, также показано на фиг.3. Наиболее технологичными формами каналов в конструкции линзы по фиг.3 являются круговой цилиндр и шестригранная призма. Их поперечное сечение показано на фиг.5.

Промежутки между каналами транспортировки излучения должны быть непрозрачными для рентгеновского излучения (в противном случае и они должны были бы рассматриваться как “каналы”).

Конструкция по фиг.2 энергетически несколько более выгодна. Воспринимая излучение от такого же по размерам фрагмента объекта, как и в конструкции по фиг.3, и обеспечивая примерно такую же разрешающую способность, она позволяет захватить большую часть излучения этого фрагмента благодаря расширяющемуся характеру каналов.

В обеих конструкциях может быть захвачено излучение только от точек фрагментов объекта, находящихся строго в зонах, ограниченных продолжениями каналов (см. фиг.6а и 6в). Благодаря предлагаемому выбору материала стенок каналов или материала их покрытия излучение, входящее в канал под углом к его стенке, поглощается или рассеивается и не проходит на выход. На фиг.6а и 6в штриховыми линиями показаны траектории распространения квантов рентгеновского излучения, проходящих на выход канала, которые могут быть только прямолинейными. В отличие от этого в известном устройстве [3], использующем принцип полного внешнего отражения, распространяться по каналам 18 может и излучение, попавшее на входы каналов от фрагментов объекта, находящихся и вне пределов зон, показанных на фиг.6а и 6в (см. фиг.6с). Это может иметь место, если направление распространения излучения при входе в канал образует с его стенками угол менее критического θ_с. Поэтому, как показано на фиг.6с, на выход канала проходят кванты, распространяющиеся как по прямолинейным (показанным штриховыми линиями), так и по ломаным (показанным сплошными линиями) траекториям.

В проведенных экспериментах изображение объекта было получено с разрешением порядка 1 микрона при источнике с линейными размерами порядка 0,1 мм, т.е. площадь апертуры источника превосходила элемент разрешения примерно в 10000 раз. Имеются все предпосылки для получения в будущем разрешения на уровне 0,1 микрона и лучше.

Существенным фактором, определяющим перспективы практического применения предлагаемого микроскопа, является скорость получения информации. Согласно сделанным оценкам она может быть в (10-100) тысяч раз выше, чем при использовании обычного метода проекционной рентгеновской микроскопии.

Такой выигрыш достигается благодаря снятию ограничения на интенсивность используемого источника. Поскольку он не должен быть микрофокусным и может иметь конечные размеры, высокая эффективная интенсивность достижима даже при небольших мощностях рентгеновской трубки.

Приведенные выше примеры относятся к трубке с мощностью менее 10 Вт и конической рентгеновской линзе с количеством каналов порядка 10⁶.

Промышленная применимость

Предлагаемое устройство может быть реализовано на практике в любом из описанных многочисленных возможных вариантов, допускающих выбор как конструкции линзы, так и конкретной формы каналов в зависимости от технологических возможностей и других оснований для тех или иных предпочтений.

Подтвержденные в эксперименте показатели позволяют рассчитывать на широкое применение предлагаемого рентгеновского микроскопа как непосредственно в промышленности, в частности, в микротехнологиях, так и в научных исследованиях, в первую очередь в биологии и медицине.

Все изложенное выше, касающееся принципов построения и достигаемого результата, в равной степени применимо к микроскопам, использующим иные виды излучения в виде потока нейтральных частиц, в частности нейтронов, гамма-квантов, ультрафиолетовое и инфракрасное излучения, видимый свет, а также излучение в виде потока заряженных частиц, например ионов.

Рентгеновский микроскоп содержит протяженный рентгеновский источник, а также средство для размещения исследуемого объекта 3 и средство для регистрации и расположенную между ними рентгеновскую капиллярную линзу. Каналы последней расходятся в сторону средства для регистрации. Средство для размещения исследуемого объекта установлено между протяженным рентгеновским источником и меньшим торцом рентгеновской капиллярной линзы. Особенностью устройства является то, что стенки каналов (14, 16) транспортировки излучения имеют покрытие или выполнены из материала, поглощающего или рассеивающего рентгеновское излучение, и имеют форму боковой поверхности либо усеченных конуса или пирамиды, либо цилиндра или призмы. При указанном выборе материала исключено явление полного внешнего отражения, а прямолинейность продольных осей каналов обеспечивает их работу как коллиматоров. Поэтому каналы захватывают излучение только тех фрагментов исследуемого объекта 3, которые находятся точно напротив их входов. По сравнению с известным устройством исключается возможность захвата излучения, входящего в канал 18 под углами от нулевого до критического угла θ_с полного внешнего отражения. Благодаря этому разрешающая способность полностью определяется технологическими возможностями уменьшения входных размеров каналов. Возможность использования протяженного рентгеновского источника позволяет существенно уменьшить время экспозиции при одновременном уменьшении мощности рентгеновской трубки. 6 ил.

Рентгеновский микроскоп, содержащий протяженный рентгеновский источник (1), а также средство (4) для размещения исследуемого объекта (3) и средство (8) для регистрации и расположенную между ними рентгеновскую капиллярную линзу (7), имеющую каналы транспортировки излучения, расходящиеся в сторону средства (8) для регистрации, при этом средство (4) для размещения исследуемого объекта установлено между протяженным рентгеновским источником (1) и меньшим торцом (5) рентгеновской капиллярной линзы (7), отличающийся тем, что стенки каналов (14, 16) транспортировки излучения рентгеновской капиллярной линзы (1) выполнены с покрытием или из материала, обеспечивающего исключение явления полного внешнего отражения, и имеют форму боковой поверхности либо усеченных конуса или пирамиды, либо цилиндра или призмы.