EA015236B1 - Способ определения внутренней структуры объектов и устройство - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области определения внутренней структуры объектов. Оно может быть использовано как для объектов с периодической структурой, в том числе для кристаллов, образованных из биообъектов, таких, например, как большие макромолекулы, так и для объектов с непериодической структурой. При этом время и количество вычислений, требуемое для определения внутренней структуры, может быть существенно сокращено по сравнению с существующим ренггеноструктурным анализом. Устройство состоит из основания, на котором размещаются группа монокристаллов, состоящая из трёх прилегающих друг к другу монокристаллов, экрана, расположенного в одной плоскости с монокристаллом, находящемся в центре этой группы, и состоящего из двух тонких слоев, слабо поглощающих рентгеновское излучение, между которыми расположен слой из материала, сильно поглощающего рентгеновское излучение, и слой из вещества, излучающего в оптическом диапазоне под действием электронов, эмитированных из поглощающего слоя, а также двух симметрично расположенных относительно этого экрана конструкций, включающих в себя реперные монокристаллы, внутри которых имеются полости, в которые помещаются исследуемые объекты, и устройств, позволяющих независимо поворачивать эти монокристаллы относительно трёх углов в пространстве. Кроме того, на основании находятся электромоторы, вращающие диски переменной толщины, и монокристаллы, расположенные симметрично плоскости экрана. Способ, реализуемый при помощи этого устройства, заключается в том, что изготавливают или выращивают (в случае, когда исследуемый объект имеет биологическую природу или является

Description

Изобретение относится к области определения внутренней структуры объектов. Для периодических структур, в том числе для кристаллов, образованных из биообъектов, таких, например, как большие макромолекулы, пространственное разрешение может быть доведено до атомного уровня (т.е. до уровня даже меньше, чем 0,1 нм). Для объектов, не обладающих периодической структурой, пространственное разрешение может быть получено на уровне в десятки нанометров. При этом время и количество вычислений, требуемое для определения внутренней структуры, может быть существенно сокращено по сравнению с существующими методами.

Известен метод рентгеноструктурного анализа. Он является, на сегодняшний день, одним из наиболее важных экспериментальных методов, позволяющим определять структуру кристаллических тел, в том числе образованных и из биологических объектов [1-4]. В частности, с его помощью были получены трёхмерные структуры многих белковых молекул [3-4], причём пространственные координаты атомов, входящих в эти молекулы, определялись с точностью вплоть до долей ангстрема.

В основе рентгеноструктурного анализа лежит явление дифракционного рассеяния рентгеновских лучей на трехмерной кристаллической решётке. В случае, если имеет место рассеяние на монокристалле, угловое распределение рассеянного излучения представляет собой совокупность отдельных дифракционных пятен [2]. Относительно несложно определить местоположение этих пятен и интенсивность излучения в них, но вот фазы рассеянных волн измерить не удаётся (это не удаётся в силу того принципиального обстоятельства, что поглощение излучения от его фазы не зависит, а зависит только от его интенсивности). 15 тоже время, для определения пространственной структуры рассеивающего объекта, требуется знание этих фаз (или, что эквивалентно, знание комплексных амплитуд рассеянных волн).

Общего решения фазовой проблемы на сегодняшний день не существует. Тем не менее, существует ряд приёмов, которые позволяют восстанавливать структуру даже без определения фаз [3], [5-8]. В случае сложных структур, к каковым относятся кристаллы, образованные из больших белковых молекул, очень часто используют следующий приём. Вводят в молекулу исследуемого вещества тяжёлые атомы, после чего вновь повторяют съёмку. Полученная таким образом ещё одна дифракционная картина содержит ту дополнительную информацию, которая позволяет восстановить структуру исследуемой молекулы даже без знания фаз. Но чтобы такое было возможно, требуется, чтобы введённый атом не повредил имеющейся структуры, что, в свою очередь, является достаточно сложной задачей.

Дополнительную информацию, позволяющую восстановить структуру без знания фаз, можно получить, к примеру, воспользовавшись данными, относящимися к уже изученным объектам, о которых известно, что они близки к исследуемому.

Существуют также и так называемые прямые методы, основанные на подходе. предложенном в [5], однако по многим причинам они практически неприменимы для больших биологических объектов. Всё это является одной из очень важных причин, почему исследование каждого вещества требует работы довольно большой лаборатории в течение длительного времени, и, соответственно, стоит достаточно дорого.

Недостатком известных способов рентгеноструктурного анализа является большая сложность и длительность исследования, связанная с необходимостью компенсировать потерю фазовой информации, которая в силу принципиальных обстоятельств неизбежно имеет место при их реализации.

Технической задачей предлагаемой группы изобретений является создание способа измерения фаз излучения, рассеиваемого исследуемым объектом, в результате чего становится возможным существенно уменьшить время, требуемое для определения внутренней структуры объекта. Это достигается путём расщепления падающего рентгеновского луча на два симметричных луча, направленных на две идентичные копии исследуемого объекта (каждый луч - на свою, при этом одна из копий повёрнута ровно на 180° относительно другой вокруг отрезка, соединяющего центры этих копий), а рассеиваемое этими копиями излучение попадает на приёмный экран, представляющий собой топкую пластину, в которой имеется вещество, способное регистрировать рентгеновское излучение, причем плоскость экрана перпендикулярна отрезку линии, соединяющему центры копий, и делит этот отрезок пополам, так что рассеянное излучение попадает на экран с двух сторон (излучение от каждой из копий попадает на свою сторону экрана и проходит его насквозь); при модуляции во времени фаз излучения в падающих симметричных лучах, число квантов, регистрируемых на экране, в разных его точках, также начинает зависеть от времени, и по этой зависимости уже можно определить фазы рассеянного излучения.

Технический результат достигается за счёт того, что способ определения внутренней структуры объектов на основе автоголографического рентгеноструктурного анализа предусматривает изготовление (или выращивание, в случае, когда исследуемый объект имеет биологическую природу или является монокристаллом) двух идентичных копий исследуемого объекта, размещение их в полостях, изготовленных в реперных монокристаллах с известной структурой, размещение самих этих реперных монокристаллов симметрично плоскости экрана, поворот одного из реперных монокристаллов вместе с помещённым в него исследуемым объектом на угол 180° вокруг оси, соединяющей центры этих монокристаллов; после чего включают рентгеновский луч и, например, с помощью вращающихся дисков переменной толщины осуществляют модуляцию фаз излучения в симметричных рентгеновских лучах, направленных на репер

- 1 015236 ные монокристаллы; затем с помощью видеокамеры, соединённой с компьютером, снимают изображения, образующиеся на экране в разные моменты времени под действием рентгеновского излучения, и по этим изображениям вычисляют фазы излучения, рассеиваемого как реперными монокристаллами (поскольку для реперных монокристаллов фазы априори известны, то сравнение экспериментально измеренных и известных величин позволяет осуществлять дополнительную тонкую настройку устройства). так и исследуемыми объектами.

Изобретение в части устройства поясняется графическим материалом, представленным на фиг. 1. Устройство состоит из основания 1, на котором расположены: группа из трёх прилегающих друг к другу монокристаллов, в которую входят монокристаллы 3 и 5, а также расположенный между ними монокристалл 4, лежащий в плоскости экрана, который состоит из слоев 17, слабо поглощающих рентгеновское излучение, между которыми напылён слой 18 из сильно поглощающего материала, контактирующий со слоем, излучающим в оптическом диапазоне под действием электронов, эмитированных из слоя, сильно поглощающего рентгеновское излучение; монокристаллы 9 и 9', расположенные симметрично относительно экрана; электромоторы 6 и 6', вращающие диски с переменной толщиной 7 и 7'; конструкции (также симметрично расположенные относительно экрана), состоящие из реперных монокристаллов 14 и 14', внутри которых имеются полости, в которые помещаются исследуемые объекты 15 и 15', а кроме того, устройств, позволяющих независимо поворачивать монокристаллы 14 и 14' относительно трёх углов в пространстве, в состав которых входят регулируемые гониометры 11 и 11', поворотные устройства 12 и 12', поворачивающие монокристаллы вокруг осей, соединяющих их с гониометрами, и поворотные устройства 13 и 13', поворачивающие гониометры вместе с монокристаллами вокруг оси 00', соединяющей центры реперных монокристаллов; видеокамера 19, соединённая с компьютером, которая осуществляет видеосъёмку изображения, появляющегося на экране.

Устройство работает следующим образом.

Имеется источник рентгеновского излучения. Из него формируется луч 2, который проходит сквозь монокристаллы 3 и 4 и попадает на монокристалл 5, который отражает его в направлении, противоположном направлению падения. При прохождении сквозь монокристалл 4 падающий луч частично рассеивается и образует луч 8 (причём другие возможные рассеянные лучи нас в данном случае не интересуют). В свою очередь луч, отражённый от 5, также проходя сквозь 4, образует рассеянный луч 8'. Мы подбираем монокристалл 3 таким образом, чтобы лучи 8 и 8' были бы симметричны относительно плоскости экрана. (Для этого, фактически, требуется только одно: чтобы монокристалл 4 был бы симметричен относительно поворота, на 180° вокруг оси, совпадающей по направлению с направлением луча 2 ). Луч 8 проходит сквозь монокристалл 5, а луч 8' -сквозь монокристалл 3. Подбирая монокристалл 3 (в частности, подбирая его толщину), мы можем добиться того, чтобы фазы лучей 8 и 8' были бы одинаковыми.

Возникает вопрос, зачем нужна такая, относительно сложная схема, чтобы сформировать симметричные лучи 8 и 8'. Дело в том, что излучение попадает на экран по двум путям (см. фиг. 1) и нужно, чтобы эти пути совпадали бы с высокой точностью. Для этого, в частности, требуется, чтобы 1_т - толщина монокристалла 4, была бы достаточно малой, меньшей, чем с(бш)¹, где с- скорость света, а δω- ширина линии излучения. В тоже время ширина луча 2 может оказаться существенно большей, чем 1_т. И в этом случае предлагаемая здесь схема позволяет работать с такими широкими лучами, не требуя какой-либо их добавочной коллимации.

В дальнейшем, симметричные лучи 8 и 8' проходят через вращающиеся диски переменной толщины 7 и 7'. При этом в те моменты времени, когда луч 8 перекрывается более толстым участком диска 7 , луч 8' перекрывается более тонким участком диска 7', и наоборот. В результате, фазы лучей 8 и 8' периодически меняются во времени и при этом сдвинуты друг относительно друга на полпериода. Далее эти лучи попадают на монокристаллы 9 и 9', которые переводят их в лучи 10 и 10', распространяющиеся в направлении реперных монокристаллов 14 и 14'. При этом такая оптическая система дополнительно выполняет и функции монохроматора, поскольку излучение различных длин волн будет распространяться в различных направлениях, и на монокристаллы 14 и 14' попадёт только излучение определённой длины волны.

Внутри реперных монокристаллов имеются полости, в которых располагаются исследуемые монокристаллы 15 и 15'. Излучение, рассеянное на этих монокристаллах (как на реперных, так и на исследуемых) образует систему лучей 16 и 16', которые попадают на экран, который включает в себя слои 17, слабо поглощающие излучение, между которыми напылён тонкий слой 18 из сильно поглощающего материала. Электроны, эмитируемые из этого слоя при поглощении в нём рентгеновского излучения, отдают свою энергию на генерацию оптических квантов, которые, в дальнейшем, уже легко могут быть зарегистрированы (в данном случае, с помощью видеокамеры 19, соединённой с компьютером).

Монокристаллы 14 и 14' можно поворачивать в пространстве относительно трёх углов с помощью поворотной системы, включающей в себя устройства 11 и 11', 12 и 12', а также 13 и 13'. Прежде, чем приступить к измерениям, поначалу осуществляется грубая ориентация монокристаллов. Она начинается с того, что оба монокристалла ориентируются в пространстве одинаковым образом (это означает, что при параллельном переносе монокристаллы могут быть совмещены один с другим). После этого один из мо

- 2 015236 нокристаллов (например, 14') переворачивается ровно па 180° с помощью поворотного устройства 13'. Затем включают источник рентгеновского излучения и регистратор оптического излучения экрана. После этого уже можно приступить к тонкой настройке. Для этого выделяют дифракционные пятна, создаваемые реперными монокристаллами. Затем производится подстройка углов ориентации монокристаллов таким образом, чтобы местоположение дифракционных пятен от 14 и 14' совпадали бы друг с другом. После этого с помощью электромоторов 6 и 6' включают вращение дисков 7 и 7' и измеряют яркость этих дифракционных пятен как функцию времени. По этой функции, методом синхронного детектирования определяют соответствующие фазы излучения и сравнивают их с априорно известными. Затем производится уже более тонкая подстройка углов ориентации 14 и 14' с тем, чтобы экспериментально измеренные и априорно известные фазы совпали бы между собой. После чего уже можно, аналогично тому, как это делалось для фаз излучения от реперных монокристаллов 14 и 14', определить также и фазы излучения для исследуемых монокристаллов 15 и 15'. Далее уже можно изменить ориентацию монокристаллов 14 и 14' с чем, чтобы получить на экране новую дифракционную картину, после чего повторить всю вышеописанную процедуру. И так повторять до тех пор, пока не будут определены фазы излучения для всех векторов обратной решётки, определяющих структуру исследуемых монокристаллов.

Поскольку и способ, и устройство, обсуждаемые здесь, основаны на использовании определённых физических процессов, мы полагаем уместным дополнительно изложить здесь как сущность этих процессов, так и то, каким образом они позволяют осуществить поставленную в заявке цель. Прежде всего, имеет смысл напомнить некоторые соотношения, относящиеся к основам рентгеноструктурного анализа [2].

Амплитуда электромагнитной волны Л(к'.5). прошедшей, после рассеяния на исследуемом объекте, путь 8 и распространяющейся в направлении, задаваемом волновым вектором к', пропорциональна р(г)схр{-/(к'~ к)гр/Г (Г) где к- волновой вектор падающей волны ( причём |к| = |к|' =к ), п(г)- электронная плотность в точке, задаваемой вектором г, интегрирование осуществляется по всему объёму объекта. Как следует из (1), амплитуда А(к',8) представляет собой комплексный вектор, который может быть записан в виде А|< (к',8)ехр(1ф_к; +1к8), где А_К (к',8) уже чисто действительный вектор, а величина <р_к как раз и определяет ту фазу, которая требуется нам для определения п(г). В тоже время интенсивность излучения 1(к'), регистрируемого на экране в той его области, на которую попадает рассеянная в направлении вектора к' волна, может быть представлена в виде:

/(к')-А(к'.л_|)(А(к',у))* =|А(к',у)р -|Л_|; (Η'.,ν,ψ (2) (здесь звёздочка означает комплексное сопряжение, а 81, - расстояние от объекта до точки регистрации на экране). Как следует из (2), 1(к') от (<р_к не зависит. В тоже время, чтобы определить п(г), что можно сделать с помощью обратного Фурье-преобразования, недостаточно знать одно только |А_К (к',8₃)|². Для этого нужно знать комплексную амплитуду рассеянной волны А_к (к',8)ехр(1<р_к +1к8).

Пусть объект является монокристаллом. Электронная плотность п(г) в монокристалле может быть представлена в виде:

О) ¢:

здесь суммирование осуществляется по всем векторам обратной решётки кристалла С , а величины по представляют собой соответствующие Фурье-компоненты электронной плотности. Условие, определяющее направления волновых векторов к', имеет вид: к'-к = С (причём каждому из векторов С соответствует свой вектор к'). Из очевидного условия, что п(г) является действительной величиной и, следовательно, п(г)^п*(г) можно получить соотношения: по=п*_С и |по| = |по|.

-'Л; И |₍;ЕМ <⁴⁾

Чтобы облегчить понимание идеи предлагаемого метода, предварительно имеет смысл рассмотреть вспомогательную задачу, представляющую определённый методический интерес, но которую нельзя непосредственно реализовать на практике. Предположим, что в нашем распоряжении имеются два монокристалла, в первом из них электронная плотность описывается формулой (3), а во втором электронная плотность п'(г) может быть представлена в виде:

«' (г) у п₍. ехр(- /Сг) (5) с

Сравнивая (3) и (5), мы видим, что второй монокристалл может быть получен из первого с помощью операции инверсии (т.е. его можно назвать инвертированным монокристаллом). Отметим, что угловое распределение рассеянного излучения обоих монокристаллов полностью совпадает: каждому дифракционному пятну первого монокристалла соответствует в точности такое же пятно и у второго.

Предположим, что оба монокристалла расположены один за другим в направлении распространения падающей волны. Подобная ситуация изображена на фиг. 2. Здесь 20 и 21 соответственно, обычный и инвертированный монокристаллы, толщина их равна а, а расстояние между ними равно 11 (причём Н~а);

- 3 015236 падающее излучение распространяется вдоль оси РА по направлению к регистрирующему экрану ММ', расположенному па расстоянии Ь от монокристаллов; рассеянное монокристаллами излучение, распространяющееся под углом φ к оси Ар. регистрируется на экране в точке В (чтобы не усложнять рисунок, на нём представлено только одно дифракционное пятно).

При выборе величины Ь, нужно удовлетворить условию: Ь>>ка². При этом дифракционные пятна на экране от обоих монокристаллов заведомо, с хорошей точностью, накладываются друг на друга. Интенсивность излучения, регистрируемая в таком суммарном дифракционном пятне, может быть записана как:

/(к’)~|л(к',Л|) + (Л(к'.л·,')) е;(Л + «)}| 2|Л(к'.л·,)| (ΐ +сомр^, + 2/сЛл,(6) здесь Αδι = (8₁-8₁'-а-1), где 8_В и 81' - соответственно расстояния от монокристаллов 20 и 21 до точки В. Формула (6) в отличие от (2) уже содержит в себе член, зависящий от фазы φ_Β. По чтобы выделить этот член, недостаточно просто измерить 1(к'). В (6) входят две неизвестные величины, |А(к',8₁)|² и (φ_Β и для того, чтобы их определить, требуется дополнительная информация. Чтобы её получить, можно, например, воспользоваться следующим приёмом. Предположим, что мы приводим один из монокристаллов (например, 21) в движение. Заставляем его периодически перемещаться взад и вперёд, в результате чего 11 становится функцией времени 1. Именно 11 переходит в 11(1) = 11 + 51(1) где 51(1) - периодическая функция, среднее от которой по времени равно нулю. Если при этом 51(1) удовлетворяет условию 2к5й(1)<< 1, то мы можем записать:

+ ЗМл, (/)| ® со.^2^. + 2АЛл,} + 2А7>Л(/)(I -«»(ψ?)}.·5ίη{2¾. + 2кЛх,} (7) где Α8₁(ΐ) =8₁ -8₁'(1)-а -11(1). Подставив (7) в (6), мы видим, что интенсивность 1(к') также становится функцией времени и может быть, с хорошей точностью, представлена в виде I (к') + к5й(1)1(к'). Усреднив интенсивность по времени, мы можем определить I (к'), а воспользовавшись методом синхронного детектирования, мы можем выделить и 1(к'). После этого мы уже можем определить и |А(к',8₁)|², и <р_к.

Перейдём теперь от вспомогательной задачи к тому, что мы имеем в реальности. Мы не можем ни вырастить инвертированный монокристалл, ни каким-либо способом преобразовать в него обычный. Действительно, единственное, что мы можем сделать с обычным монокристаллом - это перемещать и поворачивать его в пространстве, но операция инверсии в принципе не может быть сведена к таким действиям. Поэтому, казалось бы, что какого-либо отношения к практике рассмотренный выше способ определения фаз иметь не может.

И всё же в принципе возможна ситуация, в которой два одинаковых объекта, определённым образом размещённые в пространстве, проявляют себя в светорассеянии так, как будто бы они взаимно инвертированы. Подобную ситуацию можно проиллюстрировать с помощью фиг. 3.

Здесь: ММ'- экран, представляющий собой плоскость, перпендикулярную плоскости рисунка; 22 и 22' - два одинаковых монокристалла, их центры расположены симметрично по обе стороны от экрана ММ', они одинаково ориентированы в пространстве за одним только исключением: монокристалл 22' повёрнут ровно на 180° вокруг оси РР' относительно монокристалла 22; падающее излучение, распространяющееся вдоль оси РР' попадает на монокристалл 23, параметры которого подобраны таким образом, чтобы большая часть рассеянного на нём излучения оказалась бы в двух лучах 24 и 24', симметричных относительно экрана ММ' и направленных соответственно на монокристаллы 22 и 22'; рассеянное на этих монокристаллах излучение образует симметричные лучи 25 и 25' (как и ранее, чтобы не усложнять рисунок, рассматривается только одно дифракционное пятно); эти лучи попадают на экран в одну и ту же точку В и регистрируются в ней ( экран достаточно тонок, большая часть излучения проходит сквозь него насквозь, и поэтому для регистрации излучения безразлично, с какой стороны оно на него попадает). Здесь, также как и в рассмотренной ранее вспомогательной задаче, каждому дифракционному пятну от первого монокристалла соответствует в точности такое же пятно и в том же месте экрана от второго. Докажем это утверждение. Запишем волновые вектора лучей 24 и 24' в виде к_х1 + ку + к.к и -к,) + ку + к.к соответственно (здесь 1, _), к - единичные вектора, направленные по оси х, по оси у , и по оси ζ, перпендикулярной плоскости рисунка). После рассеяния на монокристалле 22 образуется луч 25, волновой вектор которого имеет вид к_х1 + ку + к.к + О где О = Ο_χί + О_у_) + ОТ - соответствующий вектор обратной решётки. Рассмотрим теперь монокристалл 22'. После поворочана 180° вокруг оси РР' вектор обратной решётки -О переходит в вектор -О_х1 +О_у _) + ОТ . Соответственно, волновой вектор луча 25' имеет вид -(к_х + О_х)1 + (к_у +О_у)_) + (к. +Сук. Таким образом, луч 25' полностью симметричен лучу 25 и, следовательно, они должны пересечься с экраном ММ' в одной точке.

Интенсивность излучения, регистрируемая в суммарном дифракционном пятне,1_В может быть, в данном случае, записана как:

где 8- путь, проходимый от монокристаллов 1 и 1' до точки В.

Также как и в (6) в выражение (8) входят две неизвестные величины: |А(к',8)|² и φ_Β.

В принципе, чтобы определить |А(к',8)|², здесь можно действовать даже проще, чем во вспомога

- 4 015236 тельной задаче, рассмотренной ранее. Можно просто по очереди перекрывать лучи от каждого монокристалла, и, соответственно, интерференционного члена уже не будет. Но можно также и воспользоваться приёмом, аналогичным тому, который уже обсуждался ранее во вспомогательной задаче. Можно периодически вводить в какой-либо из лучей, например, в луч 24', а затем выводить из него пластинку толщиной 1_р с диэлектрической проницаемостью ε. Вследствие этого, между лучами 24 и 24' возникнет периодически меняющаяся во времени разность фаз δφ(ΐ) (причём в максимуме, при введённой пластинке, δφ(1)=1<(ε-1)Ι_ρ: мы можем выбрать 1_р таким, чтобы это выражение было бы существенно меньше единицы). Наличие этой разности фаз приведёт к тому, что вместо С05(2<р_к) в формуле (8) появится выражение вида С08(2р_к') + δφ(ΐ)δίη(2φ0. Таким образом, Ι_Β становится периодической функцией времени: Ι_Β (1) = ΪΒδφ(ΐ)ϊ_Β. Теперь уже. действуя аналогично тому, как это предлагалось выше (т.е. усредняя Ι_Β по времени и используя, для выделения 1_В метод синхронного детектирования), мы можем определить и |А(к',§)|², и Рк'.

Обсудим теперь возможность применить рассматриваемый здесь подход к некристаллическим объектам. Прежде всего, отметим, что разница между периодическими и непериодическими структурами формально состоит только в том, что в случае непериодических структур п(г) будет записываться не в виде суммы (3), а в виде интеграла

Ρ?₍.€χρ(/(;τ)<Λί (9)

Отметим также, что мы нигде не использовали ни явный вид формулы (3), ни то, что она представляет собой сумму экспонент. Единственное, для чего она была нам нужна - это для доказательства выполнения условий (4). Но и в случае, когда п(г) определяется выражением (9), условия (4) также выполняются. Поэтому предлагаемый здесь способ определения фаз может быть применён не только к кристаллам, но и к объектам, не обладающим периодической структурой. Нужно только иметь как минимум два практически идентичных объекта. И именно такая ситуация достаточно часто имеет место для биологических объектов в случае, когда их можно размножать.

Рассматриваемый здесь способ съёмки, использующий для определения фаз рассеянного излучения два идентичных объекта, имеет много общего с обычной голографией. Вполне уместно назвать его автоголографией. Смысл такого названия становится понятным непосредственно из определения автоголографии. Именно автоголография - это такая голографическая съёмка, в которой в качестве опорного пучка используется излучение, рассеивающееся на объекте, полностью идентичном исследуемому, но определённым образом смещённому и повёрнутому в пространстве относительно пего. То есть, в отличие от обычной голографии, в автоголографии опорный пучок тоже несёт в себе информацию об исследуемом объекте (точнее, об идентичной копии этого объекта), и можно сказать, что излучение от исследуемого объекта как бы интерферирует само с собой.

Можно указать на ряд особенностей, присущих автоголографии. Например, для неё, в принципе, не требуется особо хорошей когерентности излучения. Дело в том, что опорный пучок в этом случае позволяет в какой-то мере скомпенсировать недостаточную когерентность используемого излучения. В частности, для автоголографии вполне подходит то рентгеновское излучение, которое используется в рентгеноструктурном анализе. Имеется и другая особенность, которая может, в ряде случаев, упростить процесс съёмки для некристаллических объектов, не обладающих периодической структурой. Именно, в этих случаях не нужно будет модулировать фазу падающего излучения и в дальнейшем выделять сигнал методом синхронного детектирования. Чтобы разобраться, когда такое становится возможным, нам потребуется рассмотреть функцию ν(Δτ), равную:

где ^п - средняя по объекту электронная плотность, интеграл формально берётся по всему пространству, но вне рассматриваемого объекта полагается и(г) = и . Формально ν(Δτ) не является коррелятором хотя бы уже потому, что п(г) относится к конкретному исследуемому объекту, и здесь нет никакого статистического усреднения, но, тем не менее, ν(Δτ) может проявлять ряд свойств коррелятора. Так помощью ν(Δτ) можно определить характерный масштаб корреляции 1С, такой, что при |Δγ| > 1С имеет место стремление ν(Δτ) к нулю. Если 1С оказывается много меньше размеров объекта Ьо, то характерный масштаб области на экране, на котором меняется |Л(к',§)|² оказывается много больше характерного масштаба, на котором меняется рк' (мы обозначим эти масштабы соответственно как 1_А и 1φ причём в рассматриваемом случае 1_А>> 1φ). Это обстоятельство даёт возможность определить |А(к',§)|² и рк' даже без модуляции фазы излучения и синхронного детектирования. Сначала следует определить |А(к',§)|², для чего нужно усреднить ΙΒ по масштабу 1φ , убрав, тем самым, его зависимость от φ_Β, а затем, уже зная |А(к',8)|² , определить и φ_Β.

Заявляемые способ и устройство позволяют существенно уменьшить время и количество вычислений, требуемое для определения внутренней структуры объекта, по сравнению с временем и количеством вычислений в рентгеноструктурном анализе.

- 5 015236

Литература

1. Вгадд ν.Ι.. Ргос. СатЬпбде РЫ1. 8ос. 17, 43 (1913).

2. К111е1 С. 1п1го4исНоп 1о 8ο1ίά 81а1е РНукюк БоигН Εάίΐίοη. Ιοίιη XVНеу ап4 8опк. 1пс. Νο\ν Уогк, Ьопбоп. 8у4пеу. Тотоп1о (русский перевод: Ч. Киттель Введение в физику твёрдого чела. издательство Наука. Москва. 1978 г.).

3. Вайнштейн Б.К. УФН. т. 88 №3 стр. 528-565. март 1969 (ш Кикк1ап).

4. Но1тек К.С. Β1ο\ν Ό.Μ. Ике οί Х-гау бгПгасИоп ш Не к!ибу οί рго!ет апб пис1е1 асН к1гисНге Ν.Υ. 1966.

5. 8ауге Ό. Т1е 8с.|иаппд МеИоб: а №\ν МеИоб ίοτ Р1аке ОеЮтипайоп. Ас1а Сгук!. 1952. ν. 5. р. 6065.

6. Сосйгап V. А ге1айоп Ье1\\сеп Не 8щпк οί 81гис1иге Рас1огк. Ас1а Сгук!.. 1952. ν. 5. р. 65-67.

7. Китайгородский А.И. Теория структурного анализа. М.: Изд-во АН СССР. 1957; Прямые методы в рентгеновской кристаллографии: Теория и практическое применение. Под ред. М. Лэдда. Р. Палмера. М.: Мир. 1983. (ш Кикк1аи).

8. 2ас11апакеп ν.Η. А пе\\' Апа1уБса1 Ме1о4 ίοτ 8ο1νίπ§ Сотр1ех Сгук1а1 81гис1игек. Ас!а Сгук!.. 1952. ν. 5. р. 68-73.

Claims (2)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Устройство для определения внутренней структуры объектов на основе автоголографического рентгеноструктурного анализа. включающее основание для размещения группы монокристаллов. составленной из прилегающих друг к другу монокристаллов;

   экрана. расположенного в одной плоскости с монокристаллом. находящимся в центре группы. составленной из прилегающих друг к другу монокристаллов и состоящего из двух тонких слоев. слабо поглощающих рентгеновское излучение. между которыми расположены ещё два слоя. первый - из материала. сильно поглощающего рентгеновское излучение. и второй слой - из вещества. излучающего оптические кванты под действием электронов. эмитированных из слоя. сильно поглощающего рентгеновское излучение;

   двух электромоторов. расположенных симметрично относительно плоскости. в которой находится жран. вращающих диски переменной толщины;

   чётного числа монокристаллов. установленных симметрично относительно плоскости. в которой находится экран;

   двух конструкций. симметрично расположенных относительно экрана. состоящих из реперных монокристаллов. в полости которых помещаются исследуемые объекты. и устройств. выполненных с возможностью независимо поворачивать указанные реперные монокристаллы относительно трёх углов в пространстве. в состав которых входят регулируемые гониометры. поворотные устройства. выполненные с возможностью поворачивать реперные монокристаллы вокруг осей. соединяющих их с гониометрами. и поворотные устройства. выполненные с возможностью поворачивать гониометры вместе с реперными монокристаллами вокруг оси. соединяющей центры реперных монокристаллов;

   видеокамеры. соединённой с компьютером и передающей в него информацию об изображении. возникающем на экране.
2. 2. Способ определения внутренней структуры объектов на основе автоголографического рентгеноструктурного анализа с использованием устройства по п.1. заключающийся в том. что изготавливают или выращивают. в случае когда исследуемый объект имеет биологическую природу или является монокристаллом. две идентичные копии исследуемого объекта. и помещают их в полости. расположенные внутри реперных монокристаллов. после чего с помощью устройств. поворачивающих реперные монокристаллы относительно трёх углов в пространстве. ориентируют реперные монокристаллы одинаковым образом. далее поворачивают один из монокристаллов ровно на 180° вокруг оси. соединяющей центры реперных монокристаллов. затем включают электромоторы и приводят во вращение диски переменной толщины. после чего подают рентгеновское излучение на группу монокристаллов. состоящую из трёх прилегающих друг к другу монокристаллов. и с помощью видеокамеры передают в компьютер информацию об изображении. образующемся на экране. после этого выключают рентгеновское излучение. вновь ориентируют реперные кристаллы одинаковым образом в пространстве. но уже под другими углами. чем ранее. и затем повторяют всю процедуру. начиная с момента поворота одного из монокристаллов на 180° вокруг оси. соединяющей центры реперных монокристаллов. и так действуют до тех пор. пока в компьютере не окажется достаточно информации для определения внутренней структуры объекта.