DK174016B1 - Røntgenmikroskop - Google Patents

Description

DK 174016 B1

Den foreliggende opfindelse angår et forbedret røntgenmikroskop.

I et kendt røntgenmikroskop belyses objektet via en kondensor med quasimonochro-matisk røntgenstråling kohærent eller delvis kohærent og afbildes ved et røntgen-5 objektiv udformet som en zoneplade med stor opløsning forstørret i billedplanet.

Et sådant kendt røntgenmikroskop omtales eksempelvis i Schmahl og Rudolph, "X-Ray Microscopy", 4. del, 1984, Springer Verlag, side 192-202. Heri beskrives et røntgen-mikroskop, hvori ethvert afbildende element, dvs. kondensor og røntgenobjektiv er ud-10 formet som en zoneplade. En sådan zoneplade indbefatter et antal meget tynde ringe, eksempel af guld, som er placeret på en tynd bærefolie (eksempelvis af polyimid). Disse ringe udgør et cirkulært gitter med radialt stigende linietæthed. Zonepladen afbøjer den indfaldende monochromatiske røntgenstråling med den udpegede bølgelængde, og tilvejebringer herved en afbildning. Ved quasimonochromatisk stråling forstås her 15 stråling med en vis båndbredde ΛΔ, idet denne båndbredde i tilknytning til zonepladen kan angives ved ligningen λ/Δ λ%ρ · m (p = linieantal, m = antal af det senere forklarede bøjningsarrangement).

Ved sådanne kendte røntgenmikroskoper tilvejebringes kontrasten i billedet ved fo-20 toelektrisk absorption i genstanden, dvs. der foretages afbildning af strukturer, som tilvejebringer en amplitudemodulation af de derigennem gående røntgenstråler.

Særlig egnet i tilknytning hertil er det røntgenstrålebølgelængdeområde, som ligger mellem 2,4 nm og 4,5 nm, dvs. mellem oxygen-K-kanten og kulstof-K-kanten.

25

Dette område benævnes også vandvinduet, eftersom vand i dette område har ca. 10 gange højere transmission, end organiske materialer. Herved kan organisk materiale, og dermed celler og celleorganeller i levende tilstand undersøges i dette bølgelængdeområde.

30

Den hidindtil opnåede opløsning ved røntgenmikroskopi er omtrent en faktor 10 bedre end i lysmikroskopi, idet en yderligere forøgelse af den røntgenmikroskopiske opløsning med omtrent en størrelsesorden endnu er mulig. Herved fastsættes grænseopløsningen i røntgenmikroskopien af amplitudestrukturer gennem den strålebelastning, 35 hvormed det objekt, som skal undersøges, påvirkes.

DK 174016 B1 2

Det er således formålet med den foreliggende opfindelse at tilvejebringe et røntgenmikroskop, som gør det muligt at gennemføre undersøgelser, især af biologiske strukturer, med en stråledosis, som medfører en mindre strålebelastning af objektet end ved kendte fremgangsmåder, uden at der samtidig indtræder en forringelse af billedkon-5 trasten.

Det angivne formål opnås med et røntgenmikroskop af den indledningsvis omhandlede art, som ifølge opfindelsen er ejendommeligt ved den i krav 1's kendetegnende del angivne udformning.

10

Ved det ved opfindelsen tilvejebragte røntgenmikroskop baseret på det i indledningen til krav 1 nævnte placeres i røntgenobjektivets Fourier-plan et nyt element, som er placeret over det af den nulte eller en anden forud udpeget diffraktionsorden af det af objektets afbøjede stråling ramte tværsnitsareal og faseforskyder den gennemgående 15 stråling, og elementet har yderligere en absorberende virkning til udligning af intensiteten af de forskellige diffraktionsordner, idet områderne med absorberende og med faseforskydende virkning er fordelt på indbyrdes forskellige arealer i røntgenobjektivets Fourier-plan.

20 Ved det ved opfindelsen tilvejebragte røntgenmikroskop anvendes objektstrukturemes faseforskydende egenskaber til frembringelse af kontrast. Det i stråleforløbet placerede faseforskydende element tilvejebringer i den ved formen af elementet forud udpegede orden af den fra objektet kommende røntgenstråling en faseforskydning i forhold til den anden, ikke gennem elementet førte, fra objektet kommende stråling. Den faseforskud-25 te og den ikke påvirkede strålingsdel interfererer i billedplanet og frembringer derved et kontrastrigt, forstørret billede af objektet.

Det har vist sig særlig fordelagtigt, at tilvejebringe en faseforskydning på 90® i den røntgenstråling af nulte orden i den fra objektet kommende stråling i forhold til den af ob-30 jektstrukturen afbøjede orden. Dette kan ske særlig simpelt, eftersom strålingen af nulte orden i røntgenobjektivets Fourier-plan belyser et midtstillet, cirkulært område. En hertil egnet udformning af det faseforskydende element er forklaret i krav 3 og 4.

DK 174016 B1 3

Opfindelsen går ud på den erkendelse, at brydningsindeks n i et element i røntgenområdet er sammensat af to, forskelligt virkende størrelser, som formelmæssigt kan udtrykkes ved ligningen n = 1 - δ - Hi. Størrelsen (i udtrykker heri absorptionen, som bliver mindre ved mindre bølgelængder λ af røntgenstrålingen. Størrelsen δ er et mål 5 for den faseforskydning, som tilvejebringes i den gennemgående røntgenstråling. Denne størrelse δ varierer i almindelighed kun meget langsomt med bølgelængden. Af disse årsager kan ved udnyttelse af faseforskydningen gennem objektet opnås en tydelig forbedring af kontrastvirkningen i billedet.

10 Der kan især også ved lav strålebelastning af objektet frembringes billeder, hvor kontrastvirkningen ikke er ringere end ved anvendelse af amplitudekontrast ved højere strålebelastning.

Ud fra denne betragtning tilvejebringes også den yderligere væsentlige fordel ved det 15 ved opfindelsen tilvejebragte røntgenmikroskop. Eftersom størrelsen δ kun ændres lidt med bølgelængden λ, kan ved udnyttelse af faseforskydningen røntgenstrålingens bøl* geområde forskydes til kortere bølgelængder, hvor der som følge af den mindre absorption, dvs. som følge af den mindre værdi af β hidindtil ikke var rimelige muligheder for at foretage røntgenmikroskopi, på grund af den ringe opnåelige kontrastvirkning i 20 billedet.

Det kan under visse omstændigheder også være muligt ikke at påvirke røntgenstrålingen af nulte orden fasemæssigt, men en højere diffraktionsorden af den af objektet afbøjede stråling. Denne orden frembringer i røntgenobjektivets Fourier-plan ringe, så-25 ledes at det faseforskydende element skal udformes som anført i krav 5.

Som formlen for brydningsindeks n i røntgenområdet, nemlig n = 1 - δ - ίβ, viser er der altid knyttet en absorberende virkning til faseforskydningen. Dette er naturligvis også tilfældet med det i det ved opfindelsen tilvejebragte røntgenmikroskop anvendte fase-30 forskydende element. Derfor kan det være nødvendigt at udjævne intensiteten af de i billedplanet interfererende ordner af den fra objektet kommende stråling indbyrdes. Til dette formål kan med fordel foretages en fordeling af den faseforskydende og den absorberende virkning i det faseforskydende element på forskellige modsvarende arealer i røntgenobjektivets Fourier-plan. De gennem disse modsvarende arealer ledede 35 strålinger påvirkes derved indbyrdes uafhængigt hvad angår fase og amplitude, og til- DK 174016 B1 4 lige således, at intensiteten af de i billedplanet interfererende strålingsordner tilpasses hinanden.

Ved opfindelsen er således tilvejebragt et røntgenmikroskop med forbedret virkning, 5 Idet der uden forringet kontrastvirkning optræder en mindre strålebelastning end ved kendte røntgenmikroskop.

Opfindelsen forklares i det følgende nærmere under henvisning til tegningen, på hvilken: 10 fig. 1 viser en eksempelvis udførelsesform af den principielle opbygning af et ved opfindelsen tilvejebragt røntgenmikroskop, fig. 2 er en plan afbildning af én som afbildende element virkende zoneplade, 15 fig. 3 er en plan afbildning af det i mikroskopet i fig. 1 tilvejebragte faseforskydende element, fig. 4 viser en anden eksempelvis udførelsesform for et faseforskydende element i plan 20 afbildning.

I fig. 1 er den fra en røntgenkilde kommende stråling benævnt 1. Som røntgenkilde kan eksempelvis virke en synchrotron eller en anden af de i Schmahl und Rudolph, "X-Ray Microscopy", 1. del, 1984, Springer Verlag, beskrevne kilder.

25 Røntgenstrålingen ledes igennem en røntgenkondensor 2 og ledes af denne mod det objekt 3, som skal undersøges, som er placeret på en centralblende 4. Den ved objektet 3 afbøjede røntgenstråling føres igennem et røntgenobjektiv 5 med stor opløsning og ved dette tilvejebringes en afbildning i billedplanet 6.

30

Objektivet 5's Fourier-plan er benævnt 7, og i dette plan finder opløsningen af den gennem objektet 3 førte stråling i harmoniske Fourier-komponenter sted. I billedplanet 6 vises denne fordeling ved en Fourier-tilbagetransformation igen som et reelt billede.

DK 174016 B1 5

Som billeddannende elementer 2 og 5 anvendes fortrinsvis zoneplader, som eksempelvis er udformet som vist i fig. 2. Denne zoneplade indbefatter et antal ringe, som er placeret på en meget tyndt bærefolie, f.eks. en bærefolie af polyimid. Ringene er for det meste fremstillet i guld eller chrom med en meget ringe lagtykkeise på ca. 0,1 pm. Rin-5 gene udgør et cirkulært gitter med radialt stigende linietæthed.

I Fourier-planet 7 for objektivet 5 er placeret et faseforskydende og/eller absorberende element 8. Dette består, som vist i fig. 3, af en tynd bærefolie 9, som er indfattet i en ring 10 og hvorpå er placeret et tyndt lag faseforskydende materiale, eksempelvis 10 chrom udformet som en midtstillet cirkulær skive 11.

I fig. 1 er med en fuldt optrukken linie vist strålingen af nulte diffraktionsorden af strålingen gennem objektet 3, medens den afbøjede stråling gennem objektet 3 af plus første og minus første diffraktionsorden er vist punkteret. Som det ses af fig. 1 fokuseres^strå-15 lingen af nulte diffraktionsorden af røntgenobjektivet 5 i Fourier-planet 7 på den stiplede optiske akse, medens strålingen af plus første og minus første diffraktionsorden fokuseres i Fourier-planet 7 med en afstand til den optiske akse. De endnu højere diffraktionsordner, såsom den ± anden, ± tredje diffraktionsorden osv. fokuseres i Fourier-planet med endnu større afstand fra den optiske akse, men på tegningen er strålingen 20 af disse endnu højere diffraktionsordner udeladt af hensyn til oversigtbarheden.

Elementet 8 er ifølge den foreliggende opfindelse placeret således i Fourier-planet 7, at den fra objektet 3 kommende røntgenstråling af nulte diffraktionsorden ledes igennem den midtstillede cirkulære skive 11, medens den fra objektet kommende stråling af 25 højere diffraktionsorden ledes igennem elementet 8 uden for den midtstillede cirkulære skive 11.

De indbyrdes forskellige tværsnitsområder 9, 11 i elementet 8 bestråles nu på indbyrdes forskellig vis, hvilket sker på en sådan måde, at den stråling, som ledes igennem 30 den midtstillede cirkulære skive 11 får en faseforskydning på fortrinsvis 90° i forhold til den stråling, som ledes igennem elementet 8 uden for den midtstillede cirkulære skive 11, og ved indbyrdes forskellig stor absorption i området med den midtstillede cirkulære skive 11 og det uden for den midtstillede cirkulære skive 11 beliggende område, udlignes intensiteten af røntgenstrålingen, som trænger igennem de forskellige tvær-35 snitsarealer 11, 9 i forhold til hinanden, således at intensiteten af de i billedplanet 6 in- DK 174016 B1 6 terfererende diffraktionsordner af strålingen udlignes indbyrdes. Eftersom intensiteten af nulte diffraktionsorden som regel er væsentlig stærkere end intensiteten af de højere diffraktionsordner, har belægningen af den midtstillede cirkulære skive 11 såvel en faseforskydende som en absorberende virkning. Eftersom den faseforskydende virk-5 ningen og den absorberende virkning er indbyrdes sammenkoblede, og som følge heraf ikke kan indstilles uafhængigt af hinanden, udviser også det uden for den midtstillede cirkulære skive 11 beliggende område såvel en faseforskydende som en absorberende virkning, om end dog den absorberende virkning uden for den midtstillede cirkulære skive 11 er væsentlig svagere, end inden for den midtstillede cirkulære skive 10 11, og samtidigt er også den faseforskydende virkning uden for den midtstillede cirku lære skive 11 så meget ringere, end inden for den midtstillede cirkulære skive, at den faseforskydning, som ved elementet 8 tilvejebringes i den stråling, som ledes igennem den midtstillede cirkulære skive 11, antager en størrelse på fortrinsvis 90° i forhold til den faseforskydning, som tilvejebringes af elementet 8 forden stråling, som ledes igen-15 nem uden for den midtstillede cirkulære skive 11. Ved disse forholdsregler opnås en kontrastforbedring i to henseender: For det første opstår en fasekontrast ved den Indbyrdes forskel i faseforskydningen mellem nulte diffraktionsorden og højere diffraktionsordener, og for det andet tilvejebringes en tilpasning af amplituden af nulte diffraktionsorden til højere diffraktionsordner, især ± første diffraktionsorden, hvorved strå-20 lingsbasis ikke nedsættes ved interferens mellem strålingen af højere diffraktionsorden og strålingen af nulte diffraktionsorden, således at kontrasten i de tilvejebragte billeder yderligere forbedres.

Anvendes der eksempelvis en røntgenstråling med en bølgelængde λ = 4,5 nm, og be-25 står elementet 8's midtstillede cirkulære skive 11 af et 0,09 pm tykt chromlag, vil der med en proteinstruktur med en tykkelse på 10 nm i vand ved det i fig. 1 viste røntgenmikroskop blive tilvejebragt en omtrent 20 gange bedre kontrastvirkning, end den kendte almindelige afbildning i amplitudekontrast.

30 Fig. 4 er en afbildning af en eksempelvis udførelsesform af et ved faseforskydning og/eller absorption virkende element 8, hvor der på bærefolien er placeret en ring 12 af et egnet materiale, eksempelvis chrom. Denne ring bevirker en faseforskydning i de højere ordener af den ved objektet afbøjede stråling. Hvilken orden, som påvirkes, fastlægges gennem diameter og bredde af ringen 12.

Claims (5)

1. Røntgenmikroskop hvori objektet bestråles gennem en kondensor med quasimono-chromatisk og i det mindste tildels kohærent røntgenstråling og ved et røntgenobjektiv 5 (5) med stor opløsning afbildes forstørret i billedplanet (6), kendetegnet ved, at der i røntgenobjektivets (5) Fourier-plan (7) er tilvejebragt et element (8), som er placeret dækkende det af den af nulte eller en anden forud udpeget diffraktionsorden af det af objektets (3) afbøjede stråling gennemstrålede tværsnitsareal, og som bevirker en faseforskydning i den derigennem gående stråling, og at elementet (8) yderligere 10 har en absorberende virkning til udligning af intensiteten af de forskellige diffraktions-ordner, idet elementets (8) faseforskydende og absorberende dele, indbyrdes uafhængigt er fordelt på de til de forskellige diffraktionsordner svarende arealer i røntgenobjektivets (5) Fourier-plan (7). 15

2. Røntgenmikroskop ifølge krav 1,kendetegnet ved, at elementet (8) er tilvejebragt som et på en bærefolie (9) placeret lag (11,12). j

3. Røntgenmikroskop ifølge krav 2, kendetegnet ved, at at det på bærefolien (9) pla-20 cerede lag (11) er udformet som en midtstillet cirkulær skive (11), som består af et sådant materiale og har en sådan tykkelse, at den derigennem gående røntgenstråling af nulte diffraktionsorden påvirkes til en faseforskydning på 90°.

4. Røntgenmikroskop ifølge krav 3, kendetegnet ved, at elementets (8) midt-25 stillede cirkulære skive (11) ved en røntgenbølgelængde λ = 4,5 nm består af et 0,09 pm tykt chromlag.

5. Røntgenmikroskop ifølge krav 1,kendetegnet ved, at det på bærefolien (9) placerede lag (12) er ringformet og bevirker en faseforskydning af den af objektet (3) 30 afbøjede stråling af n'te orden (|n|s 1).