Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (РЕ)"

Рентгеновская микроскопия

Рентге'новская микроскопи'я, совокупность методов исследования микроскопического строения объектов с помощью рентгеновского излучения. В Р. м. используют специальные приборы – рентгеновские микроскопы. Их предел разрешения может быть на 2—3 порядка выше, чем световых, поскольку длина волны l рентгеновского излучения на 2—3 порядка меньше длины волны видимого света.

  Специфичность взаимодействия рентгеновских лучейс веществом обусловливает отличие рентгеновских оптических систем от оптических систем для световых волн и для электронов. Малое отклонение показателя преломления рентгеновских лучей от единицы (меньше чем на 10^-4) практически не позволяет использовать для их фокусировки линзы и призмы. Электрические и магнитные линзы для этой цели также неприменимы, так как рентгеновские лучи инертны к электрическому и магнитному полям. Поэтому в Р. м. для фокусировки рентгеновских лучей используют явление их полного внешнего отражения изогнутыми зеркальными плоскостями или отражение от кристаллографических изогнутых плоскостей (отражательная Р. м.). Благодаря высокой проникающей способности, простоте линейчатой структуры спектра и резкой зависимости коэффициента поглощения рентгеновского излучения от атомного номера элемента Р. м. можно осуществить по методу проекции в расходящемся пучке лучей, испускаемых «точечным» источником (проекционная, или теневая, Р. м.).

  Отражательный рентгеновский микроскоп содержит микрофокусный источник рентгеновского излучения, изогнутые зеркала-отражатели из стекла (кварца с нанесённым на него слоем золота) или изогнутые монокристаллы и детекторы изображения (фотоплёнки, электроннооптические преобразователи). На рис. 1 приведена схема хода лучей в рентгеновском микроскопе с 2 зеркалами, повёрнутыми друг относительно друга на 90°. Получение высокого разрешения в отражательной Р. м. ограничивается малым углом полного внешнего отражения (угол скольжения < 0,5°), а следовательно, большими фокусными расстояниями (> 1 м) и очень жёсткими требованиями к качеству обработки поверхности зеркал (допустимая шероховатость ~10 ). Полное разрешение отражательных рентгеновских микроскопов определяется дифракционным эффектом (зависящим от l) и угловой апертурой, не превышающей угла скольжения. Например, для излучения с l = 1  и угла скольжения в 25' дифракционное разрешение не превышает 85  (увеличение до 100 000 раз). Изображения, создаваемые отражательными рентгеновскими микроскопами даже при точном выполнении профиля их зеркал искажаются различными аберрациями оптических систем (астигматизм, кома).

  При использовании для фокусировки рентгеновского излучения изогнутых монокристаллов, помимо геометрических искажений, на качество изображения влияют структурные несовершенства монокристаллов, а также конечная величина брэгговских углов дифракций (см. Дифракция рентгеновских лучей).

  Отражательные рентгеновские микроскопы не получили широкого распространения из-за технических сложностей их изготовления и эксплуатации.

  Проекционная Р. м. основана на принципе теневой проекции объекта в расходящемся пучке рентгеновских лучей, испускаемых «точечным» источником (рис. 2). Проекционные рентгеновские микроскопы состоят из сверхмикрофокусного источника рентгеновских лучей с фокусом 0,1—1 мкм в диаметре [например, специальная микрофокусная рентгеновская трубка или камера-обскура  (диафрагма) в сочетании с обычной широкофокусной рентгеновской трубкой], камеры для размещения исследуемого объекта и регистрирующего устройства. Увеличение М в методе проекционной Р. м. определяется отношением расстояний от источника рентгеновского излучения до объекта (а) и до детектора (b): М = b/a (см. рис. 3).

  Следовательно, объект должен находиться на малых расстояниях от источника рентгеновского излучения. Для этого фокус трубки располагается непосредственно на окне рентгеновской трубки либо на вершине иглы анода, помещенной вблизи окна трубки.

  Линейное разрешение проекционных рентгеновских микроскопов достигает 0,1—0,5 мкм. Геометрическое разрешение определяется величиной нерезкости (полутени) края объекта P_r зависящей от размера источника рентгеновских лучей d  и увеличения М: P_r = Md. Дифракционное разрешение зависит от дифракционной френелевской «бахромы» на крае: P_r = аl^1/2, где а — расстояние от источника до объекта. Поскольку а практически не может быть меньше 1 мкм, разрешение при l = 1  составит 100  (если размеры источника обеспечат такое же геометрическое разрешение). Контраст в изображении возникает благодаря различному поглощению рентгеновского излучения в областях объекта с различной плотностью или составом; чувствительность метода проекционной Р. м. определяется отличием коэффициентов поглощения рентгеновского излучения различными участками исследуемого объекта.

  Проекционная Р. м. находит широкое применение для исследований микроскопического строения различных объектов: в медицине (рис. 4), в минералогии (рис. 5), в металловедении (рис. 6) и др. областях науки и техники. С помощью рентгеновского микроскопа можно оценивать качество окраски или тонких покрытий, оклейки или отделки миниатюрных изделий. Он позволяет получать микрорентгенографии биологических и ботанических срезов толщиной до 200 мкм. Его используют также для анализа смеси порошков лёгких и тяжёлых металлов, при изучении внутреннего строения объектов, непрозрачных для световых лучей и электронов. Исследуемые образцы при этом не надо помещать в вакуум, как в электронном микроскопе, они не подвергаются разрушающему действию электронов. Применение в рентгеновских микроскопах различных преобразователей рентгеновских изображений в видимые в сочетании с телевизионными системами позволяет осуществлять оперативный контроль объектов в научно-исследовательских и производственных условиях.

  Лит.: Уманский Я. С., Рентгенография металлов и полупроводников, М., 1969; Ровинский Б. М., Лютцау В. Г., Камера-обскура для теневой рентгеновской микроскопии, «Изв. АН СССР. Сер. физическая», 1956, т. 20, № 7; Лютцау В. Г., Рентгеновская теневая микроскопия включений, неоднородности состава зерен и примесей по их границам, «Заводская лаборатория», 1959, т. 25,.№ 3; Cosslett V. Е., Nixon W. С., X-ray microscopy, Camb., 1960.

  В. Г. Лютцау.

Рис. 1. Схема фокусировки рентгеновских лучей в отражательном рентгеновском микроскопе с 2 скрещенными зеркалами: OO' – оптическая ось системы; А – объект; A' – его изображение. Увеличение O'A'/OA.

Рис. 6а. Снимки микроструктуры сплава алюминия с 5% меди, полученные с помощью оптического микроскопа. Для сравнения сняты одни и те же участки сплава. Вверху и внизу представлены снимки одинаковых по составу сплавов, кристаллизовавшихся с разной скоростью охлаждения (вверху 180 град/мин, внизу 1 град/мин). На верхнем снимке увеличение в 2,5 раза больше, чем на нижнем.

Рис. 4. Рентгеновская микрофотография среза берцовой кости человека в месте перелома (по прошествии 28 дней после перелома). Видно клеточное строение костной ткани – остеоны и остеоциты (белые точки). Увеличено.

Рис. 3. Образование полутени Pr и дифракционной «бахромы» в проекционном рентгеновском микроскопе.

Рис. 5. Рентгеновская микрофотография железной руды: а – силикат железа; б – магнетит. Увеличено.

Рис. 6б. Снимки микроструктуры сплава алюминия с 5% меди, полученные с помощью рентгеновского микроскопа. Для сравнения сняты одни и те же участки сплава. Вверху и внизу представлены снимки одинаковых по составу сплавов, кристаллизовавшихся с разной скоростью охлаждения (вверху 180 град/мин, внизу 1 град/мин). Рентгеновская микроскопия выявляет более тонкое строение микрозёрен сплава (микродендриты – тёмные полосы, скопления атомов меди по границам субзёрен – светлые линии). На верхнем снимке увеличение в 2,5 раза больше, чем на нижнем.

Рис. 2. Схема проекционного рентгеновского микроскопа с использованием широкофокусной рентгеновской трубки и камеры-обскуры.

Рентгеновская спектроскопия

Рентге'новская спектроскопи'я, получение рентгеновских спектров испускания и поглощения и их применение к исследованию электронной энергетической структуры атомов, молекул и твёрдых тел. К Р. с. относят также рентгено-электронную спектроскопию, т. е. спектроскопию рентгеновских фото– и оже-электронов, исследование зависимости интенсивности тормозного и характеристического спектров от напряжения на рентгеновской трубке (метод изохромат), спектроскопию потенциалов возбуждения.

  Рентгеновские спектры испускания получают либо бомбардировкой исследуемого вещества, служащего мишенью в рентгеновской трубке, ускоренными электронами (первичные спектры), либо облучением вещества первичными лучами (флуоресцентные спектры). Спектры испускания регистрируются рентгеновскими спектрометрами (см. Спектральная аппаратура рентгеновская). Их исследуют по зависимости интенсивности излучения от энергии рентгеновского фотона. Форма и положение рентгеновских спектров испускания дают сведения об энергетическом распределении плотности состояний валентных электронов, позволяют экспериментально выявить симметрию их волновых функций и их распределение между сильно связанными локализованными электронами атома и коллективизированными электронами твёрдого тела.

  Рентгеновские спектры поглощения образуются при пропускании узкого участка спектра тормозного излучения через тонкий слой исследуемого вещества. Исследуя зависимость коэффициента поглощения рентгеновского излучения веществом от энергии рентгеновских фотонов, получают сведения об энергетическом распределении плотности свободных электронных состояний. Спектральные положения границы спектра поглощения и максимумов его тонкой структуры позволяют найти кратность зарядов ионов в соединениях (её можно определить во многих случаях и по смещениям основных линий спектра испускания). Р. с. даёт возможность также установить симметрию ближнего окружения атома, исследовать природу химической связи. Рентгеновские спектры, возникающие при бомбардировке атомов мишени тяжёлыми ионами высокой энергии, дают информацию о распределении излучающих атомов по кратности внутренних ионизаций. Рентгеноэлектронная спектроскопия находит применение для определения энергии внутренних уровней атомов, для химического анализа и определения валентных состояний атомов в химических соединениях.

  Лит.: Блохин М. А., Физика рентгеновских лучей, М., 1957; Рентгеновские лучи, под ред. М. А. Блохина, М., 1960; Баринский Р. Л., Нефедов В. И., Рентгено-спектральное определение заряда атомов в молекулах, М., 1966; Зимкина Т. М., Фомичев В. А., Ультрамягкая рентгеновская спектроскопия, Л, 1971; Немошкаленко В. В., Рентгеновская эмиссионная спектроскопия металлов и сплавов, К., 1972; X-ray spectroscopy, ed. L. V. Azaroff, N. – Y., 1974.

  М. А. Блохин.

Рентгеновская съёмка

Рентге'новская съёмка, фотографическая или видеомагнитная регистрация теневого изображения различных объектов, получаемого при просвечивании их рентгеновскими лучами (РЛ) и отображающего внутреннее строение объектов. Р. с. применяется в медицине, биологии, физике, технике и военном деле. Объектами Р. с. могут быть внутренние органы и системы организма человека и животных, растения, промышленные изделия, детали конструкций, образцы различных веществ и пр. Р. с. осуществляют либо прямым методом, при котором светочувствительный материал экспонируется непосредственно в РЛ, проходящих сквозь снимаемый объект, либо косвенным методом, при котором изображение объекта, образованное РЛ на флуоресцирующем экране, переснимается на фотокиноплёнку или записывается на магнитную ленту.

  Рентгеновская фотосъёмка прямым методом производится на рентгеновскую плёнку (специальный вид фотоплёнки, характеризующийся очень высокой контрастностью при сравнительно высокой чувствительности к РЛ), заряженную в кассету, которая располагается за просвечиваемым объектом (см. Рентгенограмма). Для сокращения выдержки дополнительно применяют усилительные флуоресцирующие экраны, которые помещают с обеих сторон плёнки в непосредственном контакте с её эмульсионными слоями. При рентгеновской киносъёмке прямым методом, во избежание потери чёткости изображения из-за продвижения плёнки, просвечивание объекта производится лишь в период экспонирования кадра. Для этого на управляющую сетку трёхэлектродной рентгеновской трубки подаются импульсы тока от коммутатора, связанного с лентопротяжным механизмом съёмочного аппарата. В процессе съёмки плёнка перематывается с катушки на катушку и огибает на участке экспонирования покрытый флуоресцирующим слоем гладкий вращающийся барабан, который служит усиливающим экраном. Таким способом при использовании рентгеновской трубки с холодной эмиссией достигают времени экспонирования кадра 10^-7 сек при частоте съёмки 100 кадров в сек.

  При Р. с. косвенным методом изображение, образованное РЛ на флуоресцирующем экране с жёлто-зелёным или зелёным свечением, снимается при помощи фото– или киноаппарата на специальную флюорографическую плёнку с высокой чувствительностью к свету жёлто-зелёной области спектра или регистрируется видеомагнитофоном. Для усиления яркости изображения используют экраны с флуоресцирующим слоем, нанесённым на металлическую пластинку и покрытым с внешней стороны тонким металлическим слоем. При подаче на металлический слой и пластинку постоянного напряжения свечение экрана усиливается приблизительно в 10 раз. Значительно большего усиления яркости достигают включением в схему рентгеновской съёмочной установки электроннооптического преобразователя изображения (ЭОП). В таких установках РЛ после прохождения сквозь объект падают на фотокатод ЭОП, а изображение, полученное на экране последнего, переснимается фото– или киноаппаратом. Просвечивание объекта при рентгеновской киносъёмке косвенным методом в простейшем случае производится непрерывно в течение всего времени съёмки. Однако в большинстве современных рентгеновских киноустановок рентгеновское излучение генерируется периодически – лишь во время экспонирования кадра. Благодаря этому интенсивность рентгеновского излучения во многих случаях (особенно в установках с ЭОП) может быть сохранена в пределах допустимых норм облучения биологических объектов. Этот вид Р. с. широко используют в медицинской рентгенодиагностике. При съёмке технических объектов, где интенсивность рентгеновского облучения не играет существенной роли, частота импульсной Р. с. может достигать 1000 кадров в сек. См. также Электрорентгенография.

  Лит.: Байза К., Хентер Л., Холбок Ш., Рентгенотехника, [пер. с венг.], Будапешт, 1973.

  А. А. Сахаров.

Рентгеновская топография

Рентге'новская топогра'фия, совокупность рентгеновских дифракционных методов изучения различных дефектов строения в почти совершенных кристаллах. К таким дефектам относятся: блоки и границы структурных элементов, дефекты упаковки, дислокации, скопления атомов примесей, деформации. Осуществляя дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах различными методами «на просвет» и «на отражение» в специальных рентгеновских камерах, получают рентгенограмму — дифракционное изображение кристалла, называемое в структурном анализе топограммой. Физическую основу методов Р. т. составляет дифракционный контраст в изображении различных областей кристалла в пределах одного дифракционного пятна. Этот контраст формируется вследствие различий интенсивностей или направлений лучей от разных точек кристалла в соответствии с совершенством или ориентацией кристаллической решётки кристалла в этих точках. Эффект, вызываемый изменением хода лучей, позволяет оценивать размеры и дезориентации элементов субструктуры (фрагментов, блоков) в кристаллах, а различие в интенсивностях пучков используется для выявления дефектов упаковки, дислокаций, сегрегаций примесей и напряжений. Р. т. отличают от др. рентгеновских методов исследования кристаллов высокая разрешающая способность и чувствительность, а также возможность исследования объёмного расположения дефектов в сравнительно крупных по размеру почти совершенных кристаллах (до десятков см).

  Линейное разрешение многих методов Р. т. составляет от 20 до 1 мкм, угловое разрешение —от 1' до 0,01“. Чувствительность определяется контрастом в интенсивностях дифрагированных лучей от «удачно» и «неудачно» ориентированных областей и от «совершенных» и «искажённых» областей кристалла.

  Методы Р. т. различаются по области используемых углов дифракции, по характеру выявляемых дефектов (макроскопические дефекты, дефекты кристаллической решётки), степени несовершенства и дефектности кристаллов, чувствительности и разрешающей способности. На рис. 1—5  приведены принципиальные схемы некоторых методов Р. т. и топограммы кристаллов, полученные этими методами. Преобразование рентгеновских изображений в видимые с последующей их передачей на телевизионный экран позволяет осуществлять контроль дефектности кристаллов в процессе различных воздействий на них при технологической обработке или при исследовании их свойств.

  Лит.: Иверонова В. И., Ревкевич Г. П., Теория рассеяния рентгеновских лучей, М., 1972: Умайский Я. С., Рентгенография металлов, М., 1967; Лютцау В. Г., Фишман Ю. М., Метод дифракционной топографии на основе сканирования в широком пучке рентгеновских лучей, «Кристаллография», 1969, т. 14, в. 5, с. 835: Ровинский Б. М., Лютцау В. Г., Ханонкин А. А., Рентгенографические методы исследования структурных несовершенств и дефектов решетки в кристаллических материалах, «Аппаратура и методы рентгеновского анализа», 1971, в. 9, с. 3—35; Kozaki S., Hashizume H., Kohra K., High-resolution video display of X-ray topographs with the divergent Laue method, «Japanese Journal of Applied Physics», 1972, v. 11, № 10, p. 1514.

  В. Г. Лютцау.

Рис. 4, а. Схема топографирования в широком параллельном пучке монохроматического рентгеновского излучения. От линейного фокуса щелями I и II формируется параллельный пучок лучей, падающий на кристалл под брэгговским углом 2J, и из дифрагированного пучка щелью III выделяется параллельный пучок, фиксируемый на фотопластинке. Для исследования больших кристаллов во время съёмки кристалл и фотопластинку можно синхронно перемещать.

Рис. 2, а. Схема топографирования кристаллов «на просвет» по методу Фудживара. Расходящийся из «точечного» источника пучок рентгеновских лучей с непрерывным спектром при прохождении через «тонкий» (толщиной t ³ 1/m, где m – коэффициент поглощения рентгеновских лучей) кристалл создаёт его изображение. Увеличение B/D.

Рис. 1, б. Топограмма по Шульцу алюминииевого монокристалла. Тёмные и светлые полосы на топограмме соответствуют границам блоков в кристалле. Их ширина и цвет определяются величиной и направлением взаимного разворота блоков в кристалле.

Рис. 4, б. Топограмма монокристалла кремния, полученная по методу широкого параллельного пучка.Толщина кристалла 0,3 мм. Видны отдельные ростовые дислокации (тёмные линии). Увеличено.

Рис. 3, б. Топограмма блочного кристалла алюминия по Бергу – Барретту. Разворот блоков в кристалле фиксируется в виде светлых участков (1) и границ между тёмными участками (2).

Рис. 5, б. Топограмма монокристаллов кремния, полученная по методу Ланга. Толщина кристалла 0,5 мм. Видны отдельные дислокации (d). Увеличено.

Рис. 5, а. Схема топографирования кристаллов в узком параллельном пучке «на просвет» по методу Ланга. Рентгеновские монохроматические лучи от «точечного» источника выделяются узкой (0,1 мм) щелью так, что на кристалл попадает только излучение К_a1. Дифракционное изображение выделяется второй щелью и фиксируется на фотопластинке. Монохроматичность излучения тем выше, чем больше расстояние А и меньше ширина щели S. Для больших кристаллов необходимо синхронное возвратно-поступательное перемещение кристалла и фотопластинки (щели при этом неподвижны).

Рис. 2, б. Топограммы по Фудживара «на просвет» кристалла сапфира, полученные при расстоянии D = 100 мм и В – соответственно 50, 70, 100, 150 мм, что позволяет получать различное разрешение деталей блочной структуры кристалла. На топограмме 5 видны границы блоков (поперечные тёмная и светлая линии) и следы скольжения (тонкие зигзагообразные тёмные линии). Две параллельные вертикальные тёмные линии – следы дифракционных характеристических линий К_α и К_β меняющих положение на границах блоков.

Рис. 3, а. Схема топографирования кристаллов «на отражение» по методу Берга и Барретта. Параллельный пучок монохроматического рентгеновского излучения от линейного источника падает на поверхность кристалла под брегговским углом, и дифракционное изображение фиксируется на фотоплёнке, расположенной вблизи кристалла параллельно его поверхности.

Рис. 1, а. Схема топографирования кристалла «на отражение» по методу Шульца. Расходящийся из «точечного» (диаметром 25 мкм) фокуса пучок ретгеновских лучей с непрерывным спектром падает на кристалл под углами от J до J', удовлетворяющими условию Лауэ для лин волн от l до l'. Отраженный пучок дает его дифракционное изображение на фотопленке.

Назад к карточке книги "Большая Советская Энциклопедия (РЕ)"