X射线显微镜

    0　引言

    X 射线显微镜是 X 射线成像术的一种，也是显微成像技术，即将微观的、肉眼无法分辨看出的结构、图形放大成像以便观察研究的器械。在《上海计量测试》2010(5，6) 期的《X射线成像术》^[1，2]一文中已介绍 X 射线成像的衬度原理、设备的构造与主要组成部件 ( 如 X射线源、探测器等 )，但主要是从宏观物体的成像 ( 如人体器管的医学成像、机械制品的缺陷探伤、机场车站的安全检查等 ) 出发的。宏观成像与微观成像有相通之处，如衬度原理、设备的主要组成部件等，但也有区别。由于 X 射线显微镜是用来观察肉眼无法分辨的微观结构与图形，因而在仪器结构和要求上有显著不同，如要求光源尺寸小而强度大，要将像放大和高分辨等。本文主要叙述不同之处。

    1　X 射线显微镜的成像与构造

    X 射线显微镜的成像原理与光学显微镜基本上是一样的，遵从几何光学原理，其关键部件是成像和放大作用的光学元件，在光学显微镜中为透镜。由于 X 射线的波长很短，在玻璃和一般物质界面上的折射率均接近 1，故其成像放大元件不能用玻璃透镜，现在一般用波带片。此外，它们同样利用吸收衬度和位相衬度成像，同样要求有强光源及像探测器。对光学显微镜，一般用肉眼观察，故常加一目镜起进一步放大的作用。在 X 射线显微镜中当然不能用眼晴直接观察，可用 CCD 等面探测器探测。显微镜的重要性能指标两者是相似的，有放大倍数、分辨力、像差等几个。X 射线显微镜的一般构造见图 1。从强光源来的光束先经聚焦元件 ( 在此为毛细管透镜聚焦)使光斑尺寸变小、亮度加大，然后射到样品上，透过样品的光，再经成像放大元件 ( 在此为波带片 ) 而到达探测器 ( 在此为闪烁体加 CCD)。成像波带片和探测器之间有一个 Au 位相补偿环，在相衬成像时用。如吸收衬度成像，可移走。关于衬度，参考文献 [1] 中已有提及，下文将对聚焦放大元件、光源和探测器几个问题进行讨论。

    1.1　聚焦放大元件^[3]

    常用的聚焦镜是多层膜反射聚焦镜和波带片，成像放大元件是波带片。

    1.1.1　多层膜反射聚焦镜

    多层膜是在基板上重复涂上两种不同的材料制成的人造一维晶体。通常，一种材料是高原子序数的重金属（H），另一种是低原子序数的非金属（L）。这两个层的厚度之和 d_H＋ d_L构成这多层膜的重复周期 d。d_H和 d_L的大小与其比值及多层膜的性质有关。需按实验的要求来设计、制造，因此品种很多。最简单的是膜厚 d 均匀的镜子，但也有膜厚 d 是逐渐变化的镜子。镜面可以是曲面，可以是一维弯曲的（如圆筒面、抛物面或椭圆面等），也可以二维弯曲的（如球面或椭球面等）。图 2 是多层膜椭圆面反射聚焦镜的构造示意图。发散光源放在椭圆的一个焦点上，反射光聚焦在另一个焦点上。