DE4432811A1 - Phasenkontrast-Röntgenmikroskop - Google Patents
Phasenkontrast-RöntgenmikroskopInfo
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Description
Es sind verschiedene Röntgenmikroskope bekannt, die sich in ihrem
optischen Aufbau hinsichtlich der benutzten Röntgenquelle, der Kondensoroptik
zur Fokussierung der Röntgenstrahlung auf das zu untersuchende Objekt sowie
des Röntgenobjektivs zur Abbildung des Objekts auf den verwendeten bildgebenden
Röntgendetektor mehr oder weniger unterscheiden.
In der DE-OS 40 27 285 ist ein Röntgenmikroskop beschrieben, das folgenden
Aufbau besitzt:
- - Eine gepulste Röntgenquelle, die eine intensive Linienstrahlung liefert,
- - einen Spiegelkondensor, der die Strahlung der Röntgenquelle auf das zu untersuchende Objekt fokussiert,
- - ein als Mikrozonenplatte ausgebildetes Röntgenobjektiv, das das Objekt mit hoher Auflösung auf den Röntgendetektor abbildet.
Dieses Mikroskop ermöglicht röntgenmikroskopische Abbildungen im Amplitudenkontrast
mit einer Auflösung, die etwa zehnmal besser ist als die mit
Lichtmikroskopen erreichbare.
In der DE-OS 36 42 457 ist beschrieben, daß sich Röntgenmikroskopie vorteilhaft
auch im Phasenkontrast betreiben läßt. Der besondere Vorteil liegt darin, daß
infolge des höheren Kontrastes Objekte mit geringerer Strahlenbelastung untersucht
werden können. In der DE-OS 36 42 457 ist eine Anordnung beschrieben,
bei der zur Erzielung des Phasenkontrasts in der Fourierebene des als Zonenplatte
ausgebildeten Röntgenobjektivs eine zentrale Kreisscheibe angebracht ist, die die
nullte Ordnung der Objektstrahlung in geeigneter Weise phasenschiebt. Diese
Anordnung hat in der Praxis folgende Nachteile: Die Phasenplatte muß hinreichend
klein sein, um nur die nullte Ordnung der Objektstrahlung zu beeinflussen
und nicht auch höhere Ordnungen von niedrigen Raumfrequenzen der Objektstruktur.
Dies setzt aber eine räumlich kohärente, d. h. praktisch punktförmige
Röntgenquelle voraus. Röntgenquelle, die praktisch verfügbar sind, haben eine
relativ große räumliche Ausdehnung und erfüllen damit diese Anforderungen
nicht. Bei Verwendung einer solchen Quelle müßte die kreisförmige Phasenplatte
in der Fourierebene des Objektivs so groß sein, daß auch ein Teil der höheren
Ordnungen der Objektstrahlung von der Phasenplatte beeinflußt wird. Ein
weiterer für die Praxis sehr wichtiger Nachteil ist, daß Strahlung der nullten
Ordnung des Zonenplattenobjektivs sich am Ort des Detektors zum Bild addiert
und damit erhebliche Störungen verursacht.
Die genannten Nachteile lassen sich vermeiden, indem folgende Anordnung benutzt
wird: Der Röntgenkondensor hoher Apertur wird als Ringkondensor ausgebildet.
In der Fourierebene des Röntgenobjektivs wird eine ringförmige Phasenplatte
eingesetzt. Da beim Röntgenmikroskop der Kondensor in - verglichen mit
der Brennweite des Röntgenobjektivs - großer Entfernung steht, wird er vom
Röntgenobjektiv praktisch in die Fourierebene desselben abgebildet. Ein ringförmiger
Kondensor wird also in ein ringförmiges Gebiet abgebildet, das der Größe
der Phasenplatte entspricht. Mit einer solchen Anordnung kann auch eine Röntgenquelle
mit relativ großer räumlicher Ausdehnung eingesetzt werden. Vom
Kondensor wird damit Röntgenlicht aus einem wesentlich größeren Öffnungskegel
ausgenutzt als bei der bekannten Anordnung mit einer zentral angeordneten
kreisförmigen Phasenplatte. Mit dieser Anordnung wird auch der zweite Nachteil
der zentral angeordneten kreisförmigen Phasenplatte, nämlich die störende
Strahlung nullter Ordnung des Zonenplattenobjektivs vermieden. Man erhält mit
dieser Anordnung ein großes Bildfeld, das von dieser Strahlung frei ist.
In der Fig. 1 ist der Strahlengang des Phasenkontrast-Röntgenmikroskops schematisch
dargestellt. Mit 1 ist die Röntgenquelle bezeichnet. Es handelt sich
dabei um eine gepulste Plasmaquelle, z. B. einen Plasmafokus oder eine Laserplasmaquelle.
Eine solche Plasmaquelle liefert kurzzeitige Röntgenpulse mit
bevorzugt Linienstrahlung. Die von der Plasmaquelle ausgehende Röntgenstrahlung
wird mit Hilfe eines ringförmigen Kondensors 2 auf die zu untersuchende
Probe 3 fokussiert. Der Kondensor kann z. B. als Spiegelkondensor für
streifenden Einfall ein ringförmiger Ausschnitt aus einem Rotationsellipsoid sein
oder als Zonenplattenkondensor aus einer ringförmigen Zonenplatte bestehen.
Möglich ist auch eine Kombination von beiden. Ein Spiegelkondensor kann auch
zur Erhöhung der Reflektivität sowie um den nutzbaren Einfallswinkel zu vergrößern
mit einer Mehrfachschicht belegt sein. Über der Objektebene ist als Röntgenobjektiv
eine sogenannte Mikrozonenplatte 4 angeordnet. Diese Mikrozonenplatte
stellt die eigentliche Abbildungsoptik des Röntgenmikroskops dar. Ihr
Abstand zur Objektebene ist in der Darstellung stark übertrieben. Tatsächlich
besitzt die Mikrozonenplatte etwa einen Durchmesser von 20-50 µm und
befindet sich etwa 0,5-1 mm über dem zu untersuchenden Objekt. In der hinteren
Brennebene der Mikrozonenplatte 4 befindet sich ein Phasenring 5 auf einer
für die benutzte Röntgenstrahlung hinreichend durchlässigen Folie. Der Phasenring
gibt der Strahlung eine Phasenverschiebung, die z. B.
90° oder 270° betragen kann. Gleichzeitig kann der Phasenring die Röntgenstrahlung
nullter Ordnung der Objektstrukturen abschwächen und damit den
Bildkontrast weiter erhöhen. Dabei kann es vorteilhaft sein, den Phasenring als
eine Kombination von zwei oder mehr Materialien auszubilden, um die
Phasenschiebung und die Absorption in der für die gewünschte Kontrastausbildung
geeigneten Weise zu wählen. Der Phasenring kann auch so ausgebildet
werden, daß nur eine Abschwächung verbunden mit einer Phasenschiebung von
180° vermittelt wird. Durch die Phasenschiebung von z. B. 90° oder 270° werden
die phasenschiebenden Eigenschaften der Objektstrukturen zur Erhöhung des
Bildkontrastes benutzt. Die phasenverschobenen und geschwächten
Strahlungsanteile nullter Ordnung der vom Objekt kommenden Strahlung
interferieren in der Bildebene mit den nicht durch den Phasenring beeinflußten
Strahlungsanteilen höherer Ordnung und erzeugen dabei ein kontrastreiches,
vergrößertes Bild des Objekts. Dieses Bild des Objekts kann beispielsweise mit
einem CCD-Detektor in der Bildebene 6 aufgenommen und auf einem Monitor
dargestellt werden; zusätzlich kann es mit den bekannten Methoden der Bildverarbeitung
weiterverarbeitet werden.
Ein autarkes, gleichzeitig hochauflösendes und lichtstarkes Phasenkontrast-
Röntgenmikroskop existiert bisher nicht. Ein solches System wird aber bei der
Untersuchung von Strukturen in wäßriger Umgebung benötigt. Anwendungsgebiete
sind beispielsweise Biologie, Medizin, Pharmazie, Kolloidchemie,
Bodenwissenschaften.
Gemäß der Erfindung wird nun diese Aufgabe durch die Kombination von dem im
Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen, d. h. durch ein Röntgenmikroskop mit
folgendem Aufbau gelöst: Es besitzt
- - eine gepulste Röntgenquelle, die eine intensive Linienstrahlung liefert,
- - einen ringförmigen Kondensor, der die Strahlung der Röntgenquelle auf das zu untersuchende Objekt fokussiert,
- - eine Mikrozonenplatte ausgebildete Röntgenoptik, die das Objekt mit hoher Auflösung auf einen Röntgendetektor abbildet,
- - einen Phasenring in der hinteren Brennebene der Mikrozonenplatte, der der vom Objekt kommenden Röntgenstrahlung nullter Ordnung gegenüber der von den Objektstrukturen abgebeugten Strahlung höherer Ordnungen eine Phasenverschiebung gibt, die durch Dicke und Material des Phasenrings bestimmt ist. Die Phasenverschiebung beträgt beispielsweise 90° oder 270°.
Claims (13)
1. Phasenkontrast-Röntgenmikroskop mit folgendem Aufbau:
- - einer gepulsten Röntgenquelle, die eine intensive Linienstrahlung liefert,
- - einen ringförmigen Kondensor, der die Strahlung der Röntgenquelle auf das zu untersuchende Objekt fokussiert,
- - einer als Mikrozonenplatte ausgebildete Röntgenoptik, die das Objekt mit hoher Auflösung auf einen Röntgendetektor abbildet,
- - einem Phasenring in der hinteren Brennebene der Mikrozonenplatte, der der vom Objekt kommenden Röntgenstrahlung nullter Ordnung gegenüber der von den Objektstrukturen abgebeugten Strahlung höherer Ordnungen eine Phasenverschiebung gibt, die durch Dicke und Material des Phasenrings bestimmt ist.
2. Phasenkontrast-Röntgenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kondensor als ringförmiger Spiegel für streifenden
Einfall ausgebildet ist.
3. Phasenkontrast-Röntgenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kondensor als ringförmige Zonenplatten ausgebildet ist.
4. Phasenkontrast-Röntgenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kondensor aus einer Kombination eines ringförmigen Spiegels
für streifenden Einfall mit einer ringförmigen Zonenplatte besteht.
5. Phasenkontrast-Röntgenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kondensor aus einem ringförmigen Spiegel besteht, der mit einer
Mehrfachschicht belegt ist.
6. Phasenkontrast-Röntgenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kondensor aus einer Kombination eines mit einer Mehrfachschicht
belegten Spiegels und einer ringförmigen Zonenplatte besteht.
7. Phasenkontrast-Röntgenmikroskop nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß sich der Phasenring auf einer für die benutzte Röntgenstrahlung
hinreichend durchlässigen Folie befindet.
8. Phasenkontrast-Röntgenmikroskop nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Trägerfolie für den Phasenring eine Siliziumfolie ist.
9. Phasenkontrast-Röntgenmikroskop nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß als Phasenring ein Kupferring von 0,46 µm Dicke, der
sich auf einer etwa 0,1-0,3 µm dicken Siliziumfolie befindet, Verwendung
findet.
10. Phasenkontrast-Röntgenmikroskop nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Phasenring aus einer Kombination von zwei oder
mehreren verschiedenen Materialien besteht.
11. Phasenkontrast-Röntgenmikroskop nach den Ansprüchen 1 bis 8 und 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenring die Objektstrahlung nullter
Ordnung um 90° phasenschiebt.
12. Phasenkontrast-Röntgenmikroskop nach den Ansprüchen 1 bis 8 und 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenring die Objektstrahlung nullter
Ordnung um 270° phasenschiebt.
13. Phasenkontrast-Röntgenmikroskop nach den Ansprüchen 1 bis 8 und 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenring der Objektstrahlung nullter
Ordnung eine derartige Kombination von Absorption und Phasenschiebung
erteilt, daß die Strahlendosis, mit der das Objekt zur Erzeugung eines Bildes
belastet werden muß, minimiert wird.
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