JP2008180731A

JP2008180731A - Ｘ線顕微鏡

Info

Publication number: JP2008180731A
Application number: JP2008094079A
Authority: JP
Inventors: Muradin Abubekirovich Kumakhov; ムラジンアブベキロビッチクマホフ，
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2008-08-07

Abstract

【課題】放射線法を用いる投影顕微鏡法を提供すること。
【解決手段】Ｘ線顕微鏡は、広域Ｘ線源と、テスト物体３および記録手段を配置する手段とを備え、これらの間にＸ線キャピラリレンズが配置される。Ｘ線キャピラリレンズのチャネルは、記録手段に向かって発散する。テスト物体を配置する手段は、広域Ｘ線源と、Ｘ線キャピラリレンズのより小さい端面との間に配置される。デバイスは、放射を伝達するためのヤネル（１４、１６）の壁がコーティングを有するか、または、Ｘ線放射を吸収または散乱させる材料から製作され、ならびに、切頭円錐または角錐の側面形状、または円柱または角柱の形状を有することを特徴とする。
【選択図】図６

Description

（発明の分野）
本発明は、放射線法を用いる投影顕微鏡法に関し、特に、Ｘ線放射を用いて内部構造を含む物体の拡大された射影を取得する手段に関する。

（発明の背景）
物体の内部構造の像を取得することを可能にするＸ線顕微鏡が公知である。このような顕微鏡の動作は、点光源によって発せられた発散Ｘ線ビームでの物体の射影の原理に基づく（Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａ」、Ｍｏｓｃｏｗ、ＳｏｖｅｓｋａｙａＥｎｔｓｉｋｌｏｐｅｄｉｙａ」ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇｈｏｕｓｅ、１９９１年、４７８ページ）［１］。この顕微鏡は、射影または投影顕微鏡と呼ばれている。投影顕微鏡は、通常、マイクロフォーカスＸ線管、調査される物体を配置するチャンバ、および記録手段を備える。投影Ｘ線顕微鏡の分解能が大きいほど、その放射源のサイズおよび物体からの距離が小さくなる。特に、直径０．１〜１μｍのフォーカルスポットを有する管のこのような顕微鏡における利用が公知である［１］。光源の実効サイズをさらに低減するために絞り（ｄｉａｐｈｒａｇｍｉｎｇ）が用いられる（ＰｈｙｓｉｃａｌＥｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ、Ｍｏｓｃｏｗ、「ＳｏｖｅｔｓｋａｙａＥｎｔｓｉｋｌｏｐｅｄｉｙａ」ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇｈｏｕｓｅ、１９８４年、６３９ページ）［２］。

しかしながら、光源サイズを低減するか、または、光源を絞るにつれて、拡大した像の許容できるコントラスト比を保証するための光源の強度が不十分になる。この不利な点を克服するために、露出時間を延長する必要がある。実効強度を強化するために光源サイズを大きくすることによって、取得された像がぼけ、かつ、分解能が低下する。

外部全反射のＸ線キャピラリ光学素子の生成に伴って、（調査される物体と比較して）Ｘ線源が広域Ｘ線顕微鏡を利用する可能性が生じてきた。このような顕微鏡において、調査される物体を有するチャンバは、広域Ｘ線源とＸ線レンズの入口端面との間に配置され、チャネルは、像記録手段に向かって発散する（国際出願ＰＣＴ／ＲＵ第９４／００１８９号、国際公開ＷＯ第９６／０１９９１号、１９９６年１月２５日［３］）。特にこの参考文献は、円錐Ｘ線レンズおよびベルタイプレンズの使用を開示し、ベルタイプレンズは、より効率的であることが示される。なぜなら、このレンズは、Ｘ線キャピラリレンズの分離チャネルの視野内に運ばれる物体のフラグメントの大きさに対応するからである。この設計のＸ線顕微鏡は、提示される顕微鏡に最も近い。

しかしながら、モノリシック、特に、インテグラルレンズにおいて、従来技術で達成されたレベルにまで分離チャネルの直径を縮小することによって（米国特許第６，２７１，５３４号、２００１年８月７日公開［４］）、Ｘ線レンズにおける分離チャネルの入口サイズは、決定因子でなくなる。これは、上述のレンズの分離チャネルの視野のサイズΔが
Δ＝ｄ＋２Ｌθ_ｃ（１）
であるという事実によって説明され、ここで、ｄは分離チャネルの入口径を示し、
Ｌは、調査される物体とＸ線チャネルの入口との間の距離であり、
θ_ｃは、チャネル壁材料の外部全反射の臨界角である。

小さい直径ｄおよび低い放射エネルギーが、特に、生物学的物体の調査において用いられた場合、角度θ_ｃが１０^−２ラジアンに達し得るときに、上述の式（１）における第２の項が支配的になる。従って、例えば、Ｌ＝１ｍｍおよびｄ＝０．１ミクロンである場合
、
ｄ＝０．１ミクロン＝１０^−７ｍ＜＜２・１０^−５ｍ＝２・１・１０^−３ｍ・１０^−２＝２Ｌθ_ｃ
が取得される。

従って、Ｘ線レンズの製造技術の発達によって、広域光源を利用する公知の設計のＸ線顕微鏡の精密な特性は強化され得ない。

提示される本発明は、用いられるキャピラリレンズのチャネルの直径を縮小する一方で、広域（調査される物体を超えるサイズを有するものを含む）光源を利用するという可能性を維持することによって、Ｘ線放射を用いる投影顕微鏡の分解能を高くし、同時に、用いられる放射のエネルギーへの分解能の依存を解消するという技術的成果を生成することを目的とする。上述の技術的成果のタイプは、短い露出時間と組み合わされる。

この技術的成果を達成するために、提示されるＸ線顕微鏡は、特許［３］から知られるものに最も近いものと類似であり、広域Ｘ線源と、調査される物体および記録手段を配置する手段とを備え、Ｘ線キャピラリレンズがこれらの間に配置され、放射の伝達が記録手段に向かって発散されるチャネルを有する。従って、調査される物体を配置する手段は、広域Ｘ線源と、Ｘ線キャピラリレンズの入口（より小さい）端面との間に位置する。

最も近い公知のデバイスと異なって、提示されたＸ線顕微鏡において、Ｘ線キャピラリレンズチャネルの壁が内側コーティングを有するか、または、Ｘ線放射を吸収または散乱させる材料で製作され、かつ、切頭円錐または角錐形、あるいは円柱または角柱形の側面として形成される。

放射伝達チャネルの壁の表面形状の上述の最初の２つのタイプについて、これらの断面は、入口から出口まで均等に大きくなるが、後の２つのタイプについては、断面がチャネル長さにわたって一定の状態である。これらのすべての場合、チャネルの光軸は、直線であることが重要である。Ｘ線放射を吸収または散乱させる材料から放射伝達チャネルの壁を製作するか、または、このような材料でこれらを内側からコーティングすることによって、放射がチャネルを通過する間の放射の反射をなくす。その結果、チャネルがコリメータの原理によって機能し、かつ、このコリメータによって、さらなる伝播の際に壁に衝突する放射を捕獲することが可能になる。その結果、各チャネルは、このチャネルの正確に対向側の入口に位置する調査される物体のフラグメントを通って来る放射のみを捕獲し得る。従って、分離チャネルの視野のサイズは、右側の第２項を用いずに、式（１）によって決定される。

提示される本発明は、図面と共に説明される。

（発明の実施形態）
提示されたＸ線顕微鏡は、テスト物体３のサイズ以上のサイズを有する拡張アパーチャ２を有するＸ線源を備える（図１）。テスト物体は、このテスト物体を配置する手段（チャンバ４）に位置する。この手段から最も近くには、Ｘ線キャピラリレンズ６の入口（より小さい）端面５が配置される。出口（より大きい）端面７の近傍には、Ｘ線放射を感知し得る記録手段８が配置される。テスト物体３を通過し、レンズ６によってその入口５から出口７の端面に伝達され、この手段によって記録されるＸ線放射の密度分布の像９がモ
ニタ１０に表示される。従って、物体３の像の直線寸法の拡大は、レンズ６の出口７端面と入口５の端面との直線寸法比に比例して生じる。

記録手段８の出力信号は、パーソナルコンピュータ、または、制御ユニット１１ａを備える専用コンピュータ計算手段１１において処理され得る。従って、例えば、手段１１は、テスト物体３がない場合に像を記録し得、アパーチャ２における放射強度の非均一性、チャンバ４およびチャンバ６の壁を通過する際の損失の非均一性、ならびに、像９を記録する手段８の領域にわたる素子の感度の不規則性を示す。その後、テスト物体を観測する間、この記録された画像は、取得された像を補正するために用いられ得、これにより、テスト物体の密度の固有の非均一性のみが反映される。このために、モニタ１０スクリーン上の像９は、物体３の内部構造の非均一性１３の真のパターン１２を提供する。

実際、レンズ６の機能は、レンズ６の入口端面における物体３のシャドー像をレンズチャネルの数によって分割すること、および、このような要素の各々を（物体３の１つまたは別のフラグメントを通過するＸ線放射の強度に対応するように）記録手段８の対応する検出素子に伝送することである。レンズチャネルの入口径と等しい分解能は、他のチャネルからの出力信号と「混合」されることなく、レンズチャネルの各１つの出力信号が別々に記録され得る場合に実現され得る。しかしながら、上述の拡大率は、記録手段８の分解能要素（別個の検出要素）の大きさに対応する。

このような対応関係の提供は、入口サイズと比較した、レンズ７出力における像要素の実際の拡大を必ずしも必要としない。像要素の各々に対応する信号を別々に受信する可能性を実現することで十分である。この条件は、図２および図３に示されるレンズ設計のいずれかで満たされ得る。

これらのうちの最初の図（図２）において、チャネル１４は、実際に、すべてのレンズ体積を占有し、これらのチャネルの断面は、全体として、レンズの断面と同じ規則で、長さと共に変化する。図２のレンズ設計におけるチャネルは、特に、円錐または６面体角錐の形状を有し得る。断面は、図４に示される。このような形状は、技術的に最も実現可能である。出口Ｄと入口ｄの直径との比（断面が円形の場合）は、拡大の程度を決定する。潜在的に可能な分解能を実現するために、手段８の感度のよい検出素子は、レンズチャネルの対向側のアウトレットに配置されている間、サイズがＤよりも大きくなるべきでない。図２は、このような要素１５のいくつかを示す。チャネル１６の断面が、長さにわたって一定であり、出口径が入口径ｄと等しいという同じ条件が図３に示されるレンズの場合に満たされるべきである。この条件に従う検出素子１７のいくつかがさらに図３に示される。図３によるレンズ設計における、技術的に最も実現可能なチャネル形状は、円柱および六面体角柱である。これらの断面は、図５に示される。

放射伝達チャネル間の空間は、Ｘ線放射（そうでない場合、これらは、「チャネル」とも考えられる）に対して不透明である。

図２の設計は、ある程度、エネルギー的により有利である。図３の設計におけるサイズと同じサイズの物体のフラグメントからの放射を受け取り、かつ、ほぼ同じ分解能が提供される間、チャネルの発散的性質に基づいて、このフラグメントの放射のより大きい部分をキャプチャすることが可能になる。

両方の設計において、放射は、チャネルの延長線で限定されるゾーンにきっちりと配置される物体フラグメントの点からのみキャプチャされ得る。チャネル壁材料の選択が提案されるか、または、チャネルをコーティングする材料の選択が提案されるかに応じて、チャネルに対するある角度でチャネルに入射する放射が吸収または散乱し、出口へと伝達さ
れない。図６ａおよび図６ｂにおいて、点線は、チャネルの出口へと通過するＸ線放射量の伝播経路を示し、これは、直線経路にすぎない。対照的に、外部全反射の原理を利用する公知のデバイス［３］において、放射は、図６ａおよび図６ｂに示されるゾーンの外側に配置された物体のフラグメントからチャネル入口に来る放射は、チャネルを通って伝達され得る（図６ｃ）。これは、チャネルへの入口における放射伝播の方向が、臨界θｃよりも小さい角度でその壁を形成した場合に生じ得る。従って、図６ｃに示されるように、チャネル出口へと来る量は、直線（点線で示される）経路および破線（実線で示される）経路の両方によって伝播される。

実験段階では、物体像は、約０．１ｍｍの直線寸法を有する光源に対して１ミクロンのオーダーの分解能で取得され、すなわち、光源アパーチャの面積は、分解能領域を約１０，０００倍超過する。０．１ミクロンオーダー以上のレベルの将来の分解能を取得するための、すべての前提条件が存在する。

提示された顕微鏡を実際に使用する見込みを決定する基本的なファクタは、得られる情報の比率である。実行した推定によると、これは、通常の投影Ｘ線顕微鏡法を利用するよりも１０，０００〜１００，０００倍高くなり得る。

このような利点は、用いられる光源の強度に対する制限を除去することによって達成される。これは、マイクロフォーカスのものではなく、有限寸法を有し得るため、低パワーのＸ線管であっても高効率の強度が達成可能である。

上述の例は、１０Ｗ未満のパワー、および１０^６のオーダーの数のチャネルを有する円錐Ｘ線レンズを有する管に関する。

（情報源）
１．Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａ」Ｍｏｓｃｏｗ、「ＳｏｖｅｔｓｋａｙａＥｎｔｓｉｋｌｏｐｅｄｉｙａ」Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇｈｏｕｓｅ、１９９１年。

２．ＰｈｙｓｉｃａｌＥｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ、Ｍｏｓｃｏｗ、「ＳｏｖｅｔｓｋａｙａＥｎｔｓｉｋｌｏｐｅｄｉｙａ」ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇｈｏｕｓｅ、１９８４年。

３．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＰＣＴ／ＲＵ９４／００１８９号、ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎＷＯ第９６／０１９９１号、１９９６年１月２５日。

４．米国特許第６，２７１，５３４号、２００１年８月７日公開。

（産業上の利用可能性）
提示されたデバイスは、記載された複数の実施形態の任意の１つにおいて実際に実現され得、製造施設および他の選好上の理由に応じてレンズ設計およびチャネルの特定の形状の両方を選択することを可能にする。

実験的に確認された特性は、直接的に、特にマイクロテクノロジー等の産業分野、および、特に、生物学および医学といった学術研究分野の両方において、提示されるＸ線顕微鏡の幅広い使用を予測させる。

上述の関係する設計原理および達成された成果のすべては、特に、中性子、ガンマ線、紫外線および赤外線放射、可視光等の中性粒子束の形態の他の種類の放射、ならびに、例えば、イオン等の荷電粒子束の形態の放射の形態の放射を利用する顕微鏡に等しく適用可能である。

図１は、Ｘ線顕微鏡の一般的レイアウトの図を示す。図２は、出口側に向かって大きくなる断面を有する放射伝達の発散チャネルを有するＸ線顕微鏡の一部であるレンズの設計を示す。図３は、長さにわたって一定の断面を有する放射伝達の発散チャネルを有するＸ線顕微鏡の一部であるレンズの設計を示す。図４は、放射伝達のチャネルの２つの壁形状に関する、図２に対応する場合のレンズの断面図を示す。図５は、放射伝達のチャネルの２つの壁形状に関する、図３に対応する場合のレンズの断面図を示す。図６は、提示されかつ既知のデバイスの、個別のレンズチャネル、およびチャネルにおけるＸ線放射量の伝播経路の視野を示す。

Claims

Ｘ線放射を提供するＸ線拡大光源と、
テスト物体を配置する手段と、
該テスト物体の影像を記録する記録手段と、
該Ｘ線放射を伝達する複数のチャネルを有するＸ線キャピラリレンズであって、該複数のチャネルは、該テスト物体から該記録手段に向かって発散する、Ｘ線キャピラリレンズと
を備え、
該テスト物体を配置する手段は、該Ｘ線拡大光源と該Ｘ線キャピラリレンズの狭い側の端部との間に取り付けられており、
該Ｘ線放射を伝達する複数のチャネルは、複数の壁を含み、該複数の壁は、該Ｘ線放射を吸収するまたは該Ｘ線放射を散乱させるコーティングを有する、Ｘ線顕微鏡。