極細小物體的高解析度x射線成像的製作方法

2023-06-13 08:36:36 2

專利名稱：極細小物體的高解析度x射線成像的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及利用穿透性輻射線比如X射線對極細小物體進行高解析度成像。本發明尤其適於進行X射線相襯顯微成像，並可有效地應用於顯微物體與顯微特徵的極高空間解析度(spatial resolution)成像，所述顯微物體與顯微特徵包括細小的生物系統，比如病毒和細胞，可能還包括生物大分子。
背景技術：
一種已知的利用X射線的顯微術是投影X射線顯微術(projectionX-ray microscopy)，在這種顯微術中，聚焦的電子束激勵並在金屬箔或別的靶中生成一個點狀X射線源。物體被置放在所述靶和一照相底板或其他探測板之間的發散射線束中。最近又提出了許多關於利用電子顯微鏡的電子束來激勵用於X射線顯微術的點狀源的方案。Sasov在《顯微學雜誌》(J.Microscopy)147、169、179(1987年)提出直接將層析X射線照相設備結合到電子顯微鏡中去。Cazaux等人在《電子顯微學雜誌》(J.Microsc.Electron.)14，263(1989年)，Cazaux等人在《物理學雜誌》(J.Phys.)(巴黎)IV C7，2099(1993年)，以及A.Michette等人編輯、Cheng等人的《X射線顯微學 III》(Cheng et al X-rayMicroscopy III，ed.A.Michette et al(Springer Berlin，1992))第184頁，提出了一種層析X射線照相附屬設備的原型機，以作為使用電荷耦合器件(CCD)探測器的掃描電子顯微鏡的附屬設備。Ferreira de Paiva等人(Rev.Sci.Instrum.67(6)，2251(1996年6月))研究並進一步改進了基於上述Cazaux及Cheng的方案的一種X射線顯微層析照相(microtomography)系統的性能。上述方案是對商品化的電子顯微鏡的改進，能夠生成解析度大約為10μm的圖像，而不需要對電子光學組件(electron optical column)進行大的變動。上述作者斷定，對於他們所提出的設備，在X射線層析照相中，可獲得1μm的解析度。在這些產品中，所有的系統部件和圖像密度數據(image intensity data)的判讀方法均以吸收襯度機制(mechanism of absorption contrast)為基礎。
在A Michette同S.Pfauntsch編輯的《X射線第一個百年》(「X-raysThe First Hundred Years」)(Wiley，1996，ISBN 0.471-96502-2)第43-60頁，可找到W.Nixon關於X射線顯微學的一篇回顧文章。
本申請人的國際專利公開說明書WO 95/05725公開了適用於利用硬性X射線進行微分相襯成像的各種方案和條件。其他的公開文獻有蘇聯專利1402871和美國專利5319694。在本申請人待授權的國際專利公開說明書WO 96/31098(PCT/AU96/00178)中，公開了實施硬性X射線相襯成像的實際方法。這些方法最好使用微聚焦的X射線源(可以是多色的)，且在物體和射線源之間以及物體和像平面之間要有合適的距離。在該申請中，以及在Wilkins等人的《多色硬性X射線相襯成像(「Phase Contrast Imaging Using Polychromatic Hard X-rays」)》(《自然》(倫敦)384，335(1996年))，以及在本申請人待授權的國際專利申請PCT/AU97/00882中，公開了得到來自物體的X射線波場(wavefield)在輸出平面(exit plane)處的相變的各種數學方法和數值方法。在這些參考文獻中給出的例子主要涉及宏觀物體及宏觀特徵，以及在空間上與樣品良好隔離的整裝的普通實驗室型X射線源。
本發明的目的是，至少在一優選實施例中的目的是，為顯微物體及顯微特徵的X射線相襯成像提供便利。
發明方案通過一種將電子顯微鏡作X射線成像改造的新方法，或者使用強雷射源或X射線同步輻射源(synchrotron sources)生成微聚焦X射線源，本發明可以實現上述目的。
按照本發明的第一方面，提供了一種用於X射線成像的樣品室，它包括形成一樣品腔的裝置，以及裝在該裝置上的可被合適的入射束激發產生X射線輻射的物質體，該樣品室如此設置，使得在使用時，至少一部分所述X射線輻射穿過所述樣品腔而照射到其中的樣品，然後穿出所述裝置接受探測。
在一種實施例中，所述樣品室是一個完整的獨立裝置，其方式和尺寸適於插入與之匹配的掃描電子顯微鏡或顯微探針的支承裝置，例如樣品載物臺，中的合適位置，使得所述顯微鏡或顯微探針的電子束聚焦於所述可激勵物質體，從而提供用來激勵所述物質生成X射線的入射束。
在另一種實施例中，所述物質可被入射的聚焦電磁輻射束激勵而產生X射線，所述電磁輻射束例如是雷射束或者同步輻射射線束。
所述樣品室最好是一個層列，各層在平行於層平面方向上的尺寸在一微米左右到若干毫米例如10mm的範圍內。所述樣品室最好有下述特徵，以適合用於相襯成像所述被激產生的X射線從中穿過的各層應當高度均一，並具有非常平的表面，以使照射樣品的入射射線束保持高度的空間相干性，從而使有用的圖像襯度最優化。在所述可激勵物質層之後的出射表面，以及樣品室中隨後的各層尤其應當如此。
所述可激勵物質最好是一個貼附在形成所述樣品室的結構上的物質層，但也可以是獨立式的。該結構最好包括一個底層和/或一個隔離層，其將所述可激勵物質層與所述樣品隔離開，對X射線總體上透明，或者對X射線的某個或某幾個能帶透明。儘管對於有關的射線能帶基本上透明，所述底層和/或隔離層也可以如此選擇，使之強烈吸收所述能帶之外的能量，以加強對生成圖像有用的X射線束的色相干性(chromatic coherence)。
所述樣品室可以是開放的，或者可以是密封的，例如可以允許在向電子顯微鏡樣品腔中置入樣品之後將所述樣品腔抽為真空。所述樣品腔或樣品室可以設計為閉合的，若然，則所述結構包括一個透X射線的窗口，通過該窗口，所述X射線射出所述結構，以被探測到。
所述可激勵物質層的厚度最好在10到1000nm的範圍內，而該層與所述樣品間的間隔可在1到1000μm的範圍內。
按照該第一方面，本發明提供了一種X射線顯微鏡或顯微探針，例如一種掃描X射線顯微鏡或顯微探針，其具有生成聚焦電子束的裝置和一個樣品室，所述樣品室如前述各方面或若干方面所述，被固定在支承裝置的適當位置，使得所述電子束聚焦於所述可激勵物質體，從而提供所述入射束以激勵所述物質生成X射線。最好，為了實現極高解析度成像，所述生成聚焦電子束的裝置包括一個場致發射極尖電子源(field emission tip electron source)。
按照本發明的第二方面，本發明提供了一種方法，用來對一樣品的一個或若干個內部邊界或者其他特徵形成放大的X射線圖像，該方法包括將樣品置入本發明第一方面所述的一個樣品室中，然後將所述樣品室安進一電子顯微鏡或顯微探針的支承裝置中的合適位置，使得所述顯微鏡或顯微探針的所述電子束聚焦於所述可激勵物質體，從而提供所述入射束以激勵所述物質生成X射線；用一電子束照射所述可激勵物質，使所述物質產生X射線，所述射線的至少一部分穿過所述樣品腔照射到所述樣品，包括所述樣品的一個或多個內部邊界或其他的特徵，然後射出所述樣品室結構；在所述射線照射所述樣品之後，探測並記錄其至少一部分射線，以生成所述樣品之一個或多個內部邊界或其他特徵的圖像。
所述X射線成像可以是吸收襯度(absorption-contrast)成像或相襯成像，或二者的因素都有。本發明尤其適合進行相襯成像。所述圖像可以由所述探測器系統或別的裝置進行能帶過濾(energyfiltered)，或者也可以同時採集對應於一系列X射線能帶的一組圖像。
由所述可激勵物質生成的X射線最好在中性到硬性X射線範圍內，也就是從1keV到1MeV；所述X射線可以基本上是單色的，也可以是多色的。在前一情形下，所述方法可能還包括增強單色性的步驟。在實踐所述方法或使用所述設備的過程中，樣品到像平面的距離最好在約10到200mm。
進一步，本發明提供了一種X射線顯微成像設備配置，包括支承樣品的裝置、可被合適的入射束激勵以生成X射線的物質體，以及調節所述樣品與所述物質體間的相對位置的裝置。所述物質體被固定在一個底層上，使用中所述底層設置在所述物質體和所述樣品之間從而用作一隔離層。
圖面說明下面結合附圖通過實施例對本發明作進一步說明，圖中

圖1是本發明第一方面的一個實施例的樣品室的橫剖面圖，該樣品室用來進行如本發明第二方面的一實施例所述的高解析度硬性X射線顯微成像；圖2是一變化的適於軟性X射線的樣品室；圖3是本發明另一實施例的樣品室的類似視圖，該樣品室可對圖像放大率進行相當大的改變，例如從100倍到100 000倍；圖4是所述靶層被刻圖或被分割的一個實施例的示意圖；圖5示出的是圖1中的樣品室被安裝到一掃描電子顯微鏡(SEM)的樣品載物臺中的情況；圖6是另一個實施例，示出的是一結構更為鬆散的樣品室安裝在其工作位置的情況；圖7是示於圖6的實施例的修改；圖8是一示意圖，用以示出圖1中影響圖像放大倍數以及此後要加以引用的主要幾何參數；圖9到圖12是說明性的X射線強度分布圖，是簡單的圓柱形樣品在不同尺寸和不同條件下所計算出的X射線強度分布。
優選實施例示於圖1中的所述樣品室10是一個完整的獨立裝置，通常為三維長方體構型。該樣品室包括形成一封閉樣品腔12的結構，以及貼附在該結構11上的可被合適的入射束5激勵以生成X射線6的物質體或者靶層20。樣品室10如此設置，使得至少一部分所述射線6穿過樣品腔12，從而照射該腔中的樣品7，然後從所述結構中射出，接受X射線探測器35的探測。
裝置10包括一個相對較厚的底層/隔離層22和一個相對較薄的窗口層24。所述兩層之間有一定距離，以形成所述樣品腔12，該腔在側面由一圓周側壁26封閉。靶層20系通過汽相澱積技術比如磁控電子管噴鍍、熱發射或電子束髮射或化學汽相澱積(CVD)而鍍到所述底層22的主表面23上，該面對於所述樣品腔12來說是外表面。
在另一種方案中，所述樣品腔12可以是開放的，但是，尤其是用於在自然條件下或實驗室中研究生物樣品材料時，其最好用密封墊圈或者其他合適的方式比如鍵合聚酯薄膜(bonded mylar)或環氧樹脂加以密封。
在本實施例中，所述可激勵物質靶層20是一個被激層，其通常由原子序數足夠高的物質組成，以在電子束的激勵作用下提供易於穿透該被激層及所述樣品室其餘部分的中性到硬性X射線(＞～1keV)。合適的材料例如包括金、鉑、銅、鋁、鎳、鉬和鎢。該靶層20的厚度通常可以在10nm到1000nm。該層厚的選擇要依據所希望的有效源大小，而後者尤其受到所需要的視場及激勵射束的幾何形狀的影響，因為，由在所述被激層中激勵產生的X射線源發出的X射線有一個發射角。
在用電子激勵靶層20的情況下，該靶層可能需要電接地，以防止靶層充電，如果該層是導體的話。別的通過所述底層藉助於熱傳導冷卻所述靶層的改進措施也可以很有好處。
入射粒子或射線束，在此優選實施例中是電子束，最好有足夠的能量，以激勵出具有成像所需特徵能量的X射線或成像所需的X射線韌致輻射波段。在由電子束激勵的情況下，電子的能量最好是這樣的，即，相對於建議在成像中使用的幹線(principal lines)特徵X射線能量，其具有足夠的超壓，以產生足夠的X射線強度。這要求電子的加速電壓可能在1kV到150kV。
所述底層或隔離層22的可能作用方式如下(i)作為相對較薄的靶層20的物理支承；(ii)作為隔離層，以提供樣品和射線源之間的可控隔離；(iii)作為透射射線的能帶過濾器；(iv)作為靶層的輔助冷卻裝置。
在此，其厚度可以在1μm到500μm。該厚度是控制要得到的放大倍數的主要決定因素。該層的另一功能是減小在其上產生相對較硬的X射線的層厚，為此，與靶層20相比，該層通常要由原子序數較低或密度較小的材料組成。合適的材料包括精製矽(商品化的晶片)，研磨或拋光的玻璃，鈹、硼、雲母、青玉、金剛石的薄層及其他用作底層的半導體材料。這些材料可以加工出接近原子級的光滑表面。在用作底層時，該層最好能夠為被激材料薄膜(層20)提供物理支承，且最好(i)高度均一，即，在原子級別上密度、厚度均一；(ii)具有極為光滑的表面。
以便不會顯著降低由所述被激層產生的X射線波場的空間相干性，也就是保持照射樣品的入射射線束的高度的空間相干性。這樣，基於在國際專利公開說明書WO96/31098中所描述的設計，圖像襯度就得到了最優化。
層22另外的一個功能是截去電子束在所述被激層中的濺射和散布，從而縮減X射線源的有效尺寸。在特定情況下，如果所述靶材料力學上足夠穩固，且如果靶厚並不會加劇X射線源有效尺寸的擴大的話，可以不需要層22。
對所述樣品室的所述基礎設計的一種可能的修改是，挖空所述底層/隔離層，以減弱吸收效應(尤其是在激勵低能X射線比如Al Kα的情況下)。在圖2中示出了加以修改後的這種通常類型的樣品室10′，在該圖中，加撇的相應標號表示與前圖中類似的部件。在層22′中形成的空腔標為30。在該空腔30和樣品腔12′之間有一個剩餘的薄部22a。該剩餘薄部可以在樣品一側再鍍上類似於薄層20′的一薄層材料25，但該層的目的是用作低能X射線的吸收過濾層。
出射層或者窗口層24、24′的作用可以是容納所述樣品，還可以過濾掉所述底層/隔離層22、22′被激產生的任何不希望有的X射線。所述底層/隔離層的有效源尺寸比被激層的要大，從而導致解析度的損失，所以需要上述過濾過程。用於該出射層或窗口層的合適的材料可以是卡普頓(聚醯亞胺薄膜)、鋁、聚酯薄膜、矽和鍺。層24最好是光滑的且具有均一的密度，以避免在圖像中因為相襯效應而產生額外的圖像紋理。合適地選擇所述厚度，以實現充分的能帶過濾及對其中被封閉的樣品的充分的物理支承。該出射窗口還可以鍍上一層合適的X射線選擇吸收劑。
對所述樣品室的另一種改進為圖3中的10″，其可使圖像的放大倍數在相當大的範圍內變動，比如從100倍到100 000倍。在圖3中，類似的部件以帶雙撇的相應標號指示。放大倍數的改變是通過提供可激勵靶層20″和底層22″而實現的，所述靶層和底層整體作為一個可在一圓周壁42內朝向或背離22a部分平動的單元40。或者是，所述周壁結構42可以朝向或背離所述靶層20″平動。
在另一種改進方案中，靶層20可以在一連續的底層22上被分割或刻圖。圖4示意了一個舉例性的方案，其中，構成靶層20的金點20a間隔分布在一個矽基底22上。這種設計的優點是，用較寬的、聚焦不那麼嚴格的電子束5仍然可以生成「源」尺寸可精確預測的X射線束6。
所述的樣品室通常可以用微切削加工技術或普通技術加工成選定的尺寸，使之可以作為一個完整的獨立單元，在其樣品腔12中預置入樣品7之後，被插入一種或多種類型的商品化電子顯微鏡或顯微探針的樣品載物臺中。圖5正是示意了一掃描電子顯微鏡(SEM)中基於圖1的實施例的這樣的裝置。樣品室10在裝上樣品之後被置放在一個支座50中，後者然後被懸掛固定在樣品載物臺60的上壁61上。支座50包括一對帶有內折的底翼52a、53a的固定側壁52、53，該兩側壁懸垂固定在上壁61上。在所述底翼52a、53a上，支承有可調的滑軌54、55。各相應的壓力調節器(piezo-actuators)61對滑軌54、55相對於側壁52、53在水平方向上，對樣品室10相對於滑軌54、55在垂直方向上，進行精確的細調。
樣品室10在載物臺上壁61上的一個照射孔62的下方對中，通過所述照射孔，一電子束從保持在一掃描線圈72中的屏蔽管內射向靶層20。該電子束系從一合適的電子束源(圖中未示出)生成，被一聚焦磁體75環繞以將該電子束聚焦至靶層20上。對於極高空間解析度X射線成像，所述電子束源最好是場致發射極尖電子源，以使點源尺寸最小，從而增強如早先所述的側向空間相干性(lateral spatialcoherence)。
樣品載物臺60用作針對雜散輻射的屏蔽，如同在通常技術中一樣被固定在一個可進行大幅垂向調節的支架64上。整個裝置安放在一個易抽空的由一層外壁76構成的室77中。在該裝置的側邊裝有一個輔助電子探測器78，以幫助準直和聚焦。
樣品載物臺60還包括一個環形部分66，其有一個中央孔67，該孔由一個帶驅動裝置69的光闌68控制。樣品載物臺60的底部63支承有一個X射線記錄介質，用作探測器35，在此，其處於真空狀態。但應當注意，在許多情況下，探測系統可以在所述真空室之外，如果是這樣，就要在所述外壁76上設置合適的X射線透窗裝置。另外，在本發明的另外的改進方案中，所述樣品室本身可以構成所述外壁76上的真空窗。
使用上述的改進方案，就可以用顯微鏡來實現X射線吸收襯度成像或相襯成像X射線6在穿出窗口層24之後，在X射線記錄介質35上被探測到。使用CCD探測器的X射線成像系統或者感光的螢光成像板適合用作所述記錄介質35。掃描儀可以用來影印所述成像板。本發明另一種有有益效果的實施例中，使用二維能量析像探測器，比如基於CdMnTe者，或者超導Josephson結，以同時生成各對應於一個X射線窄能帶的一個或多個有效的X射線圖像。所述圖像是可用於本申請人待授權的國際專利申請PCT/AU97/00882所述的相位恢復方法(phase retrieval methods)中的相當適合的數據，尤其適合用於本文所述的顯微成像所要求的高空間解析度成像。
示於圖4的設計適用於顯微物體和顯微特徵，包括細小的生物系統比如病毒、細胞，可能還有生物大分子，的極高空間解析度成像。該方案使得可以實現極細小的有效射線源尺寸，從而可以通過使源物距離非常小(直至幾十微米量級或更小)同時使物至像平面的距離在宏觀量級比如約10到100nm而獲得高空間解析度和高效的放大倍數。入射電子束5在靶上的聚焦寬度最好在10到1000nm。如前所述，為了使相襯成像效果最佳，如同本申請人待授權的國際專利申請WO96/31098所述，除了樣品之外，所有的部件都應當儘可能地保持X射線束高度的側向空間相干性，在實踐中，這意味著，這些部件應具有極為光滑，事實上為原子級光滑的表面，而且最好具有高度均一的密度，也就是說，各部件應當高度均一，沒有宏觀缺陷和雜質。
所述X射線基本上既可以是多色的，也可以是單色的，這要隨用途和圖像的生成方法而定。在後一情況下，最好對單色性進行增強，例如通過合適地選擇材料和/或撞擊所述靶層的電子的激勵電壓。在前一情況下，最好使用能敏探測器。
圖6示出了另一種實施例，其中，樣品室110裝在樣品載物臺上壁161的照射孔162中。孔162包括一個總體上為圓柱形的腔200，後者具有一個漸張的或錐形的上開口202和一個直徑縮小的下開口204。腔200被一個固定的圓周環126分為下部和上部。所述圓周環126類似於圖1所示實施例中的側壁26。用來放置樣品127的一個窗口臺124被可調節地放置在一個唇狀的環軌154上與前文所述的實施例一樣，由壓力調節器156、157對樣品的位置進行側向和軸向的調節。
一個包括靶層120和底層/隔離層122的組合板置放在環126上，並且，如果需要的話，在頂上再設置一個固定環95，就完全完成了樣品室的組裝。可以看到，樣品腔112部分地是由底層/隔離層122、環126和窗口臺124限定而成的，所述靶層到樣品的間距可以由壓力調節器156、157在軸向上進行調節。
當然，一般來說，在顯微鏡中可以調節所述靶層或樣品載物臺以改變放大倍數。
圖7是對圖6所示實施例的修改，其中，類似的部分以帶撇的相應標號表示。在此，所述部件形成一個由側壁152限定而成的獨立的裝置150，該裝置密合安裝在開口204′的邊緣203之上的腔200′中。在所述側壁152上固定有分隔環126′，所述側壁還有一個內折的底翼152a，用來滑動支承唇狀環154′。
在前述的每一個實施例中，只有單個樣品腔12。為了特定的用途，一個獨立的樣品室裝置可以形成具有分立的樣品腔的多個子室。
下面對掃描電子顯微鏡中的利用所述樣品室進行X射線成像的裝置的重要參數作一詳細說明。為了此說明的目的，下列示於圖1中的參數值可能要用到這些值是適合用於實施本發明實施例的典型值或有代表意義的值。
t1靶層20的厚度10nm(及100nm)t2支承/隔離層22的厚度 10微米t3樣品腔12的厚度 幾微米(通常t3≤t2)t4窗口層24的厚度 幾十微米，但此參數不是關鍵參數α 入射電子束5的會聚角 2°β X射線束6的角寬 10°loi窗口到探測器的距離 100mm由於源尺寸有限而導致的圖像模糊現象由於射線源的尺寸有限而導致的像平面上的圖像模糊在下述空間量級(spatial scale of order)上～|t1sin(β/2)|+|t1tan(α/2)|這裡僅考慮了純幾何效應。
對於為上述參數所選定的數值，該式給出的值約為1nm，因此在所取參數的情況下該值可以忽略不計。
放大倍數影響放大倍數的主要幾何參數M示於圖8的示意圖中。利用該近似，圖像的放大倍數可由下式給出M≈(loi+t2+t4)/t2～loi/t2對於loi～100mm，t2～10μmM＝100/0.01＝104。
因此，物體上的2.5nm大小的細部特徵在圖像中看起來有0.025mm(25μm)大。這樣就可以與利用基於電荷耦合器件和感光的螢光成像板的高解析度數字X射線成像系統可得到的一般空間解析度相比擬了。
視場為了有對樣品(物)的大視場，希望β和t2都大。所述視場為＝2t2tan(β/2)≈2t2β/2對於在前選取的特定參數值，在物平面處～2×10×tan(5°)≈2μm如果使用電子成像系統，通過掃描所述探針束，從同一樣品可記錄到許多圖像。一個2微米的樣品視場在像平面上對應的面積為(2×104)×(2×104)(μm2)＝20×20(mm2)這也與高解析度電子成像系統比如CCD成像系統等的視場相當匹配。
襯度和解析度要對襯度和解析度與用微聚焦射線源進行X射線成像所涉及的關鍵物理參數之間的關係進行詳細的分析，會涉及以下關鍵量s 射線源尺寸R1射線源到物平面的距離R2物平面到像平面的距離λ X射線的波長u＝1/d其中，u是在物體中的空間頻率，其對應的空間周期為dD 像平面上的空間解析度α 在準平面波的情況下的角偏向(angular divergence)本發明人同其他人一起，對於對薄物體的部分相干照射的襯度和解析度進行了經典光學處理，文章發表於Rev.Sci.Instrums.68(7)July1997(在本申請的優先權日之後)。對於吸收襯度和相襯對成像的作用，處理結果均可以表達為光學轉換函數。在本說明書所附的表1中，歸納了決定X射線顯微成像之襯度和解析度的一些關鍵條件。更為具體地，可以看出，在球面波情形下(當前情形下)，最佳相襯由下式給出
u＝(2λR1)-1/2取R1＝10μmλ＝0.1nm則有u＝1/d～10nm。
由於射線源尺寸有限(比如s＝10nm)，對解析度的相干限制dlow是u＝1/s＝108m-1或者dlow＝10nm。
u的清晰度上限1/s是與上述最佳相襯相應的，在上述情形下，系當R1＝s2/2λ＝(10×10-9)2/(2×10-10)＝0.5μm時。
這些結果，對於給定X射線波長條件下要得到最佳襯度所需的關鍵參數的大小，給出了一些感性的認識。
對圖像密度數據的分析，以及有效純相(effective pure phase)圖像和吸收襯度圖像或者混合圖像的分離，最好基於麥克斯韋方程或其合適的變式，例如，利用傅立葉光學或者合適的強度轉換方程(Transport of Intensity Equations，TIE)，如在本申請人早先在此領域的申請中，尤其是在待授權的國際專利申請PCT/AU97/00882中所陳述者。
為了幫助說明在利用本發明對極細小物體進行X射線顯微成像的情形下所預期的襯度和解析度的特性，在圖9到圖12中示出了幾個計算出來的說明性X射線強度分布圖(圖像截面)。這些計算是針對簡單的圓柱形樣品(物——不同尺寸的聚苯乙烯纖維，在不同的成像條件下進行的，其中，X射線為1keV，R1(射線源到物的距離)可變但R1+R2(R2是物像距)不變。主要的可觀測特徵是用1keV的X射線可達到的襯度和解析度水平。在一級近似情況下，可以從表1所給的結果得到最大襯度的條件。
據以繪製圖9到圖12的計算是利用基於電磁輻射傳播的Kirchhoff方程的波動光學進行的。所述計算涉及相當多的數值積分。吸收和相位效應都考慮到了。如圖中可見，曲線表示像平面上的強度，其依賴於到物的距離。四幅圖的纖維直徑各不相同，但X射線都是1keV，R1+R2都固定在10cm。每一幅圖都示出了R1(從而可知R2)的不同的值的曲線。垂直的虛線標出了有關纖維的邊緣。即使對於最細的纖維(0.05μm)，對於合適的R1值，也有大約4％的襯度，這樣的值是有用的。單位強度值對應於在沒有物時所獲得的強度。
X射線顯微鏡中的物體再現樣品(物)的投影結構，基於物的性質和所希望達到的精確度和複雜度，可以多種方式對一個或多個數位化圖像進行重組而得到。在此，重組意味著要確定物體的投影折射率的實部(折射)和虛部(吸收)沿著光軸的分布。
在許多情況下，尤其對於顯微鏡一般所觀測的薄物體而言，最為有用的出發點或許是下述線性化衍射方程(1維)I(u)/Io≌δ(u)-2sin(πλzu2)φ(u)-2cos(πλzu2)μ(u) (1)其中，λ是X射線波長，z是物像距，I、φ和μ分別是圖像強度、物體相位和吸收傳播函數的傅立葉表達式。變量u代表空間頻率。假定入射的單色平面波在z方向傳播。這裡的討論是在平面波情形下進行的，但對於顯微技術來說，球面波事實上更為合適。通過適當的代數變換，球面波的情況可以從所述平面波的情形推導出來。
通常，不可能僅測量一次I(u)就同時確定φ(u)和μ(u)。至少需要利用不同的z值和λ值進行兩次獨立的測量。但是，如果是純相位物體(pure phase object)，則式(1)中的最後一項消失，僅測量一次I(u)，也就是僅測量一幅圖像，原則上就足以確定φ(u)，也就是由於物體的存在而導致的相移的空間分布了。但是，即使在這裡，進行若干次測量也是有好處的，這樣可以減少噪聲的影響，以及「遷移函數」sin(πλzu2)的零值的影響，對於特定的空間頻率u值，這二者會導致信息的損失。這就是在本方法中，「焦距」z和/或波長λ的可變性被視為有用的性能的原因之一。
對於充分小的λzu2值，式(1)還可以進一步簡化，即，式中的sin項和cos項可以展開為一階，從而得到I(u)-Io(u)≈-2πλzu2φ(u)(2)
該式類似於所述強度轉換方程的形式(M.R.Teague J.Opt.Soc.Am.，A73，1434-41，(1983)；T.E.Gureyev，A.Roberts， K.A.Nugent，J.Opt.Soc.Am.，A12 1932-41，1942-46(1995)；Gureyev Wilkins，J.Opt.Soc.Am.A15，579-585(1998).)。該式描述了已經被證明(見Wilkins等，《自然》(1996))了的微分相襯方法(Pogany，Gao， Wilkins，ReV.Sci.Instrum.68，2774-82(1997))。
如果線性理論不適用，則可以回到Fresnel-Kirchoff基礎衍射方程(傅立葉空間)F(u)＝exp(-ikz)Q(u)exp(iπλzu2) (3)並嘗試求得能最好地模擬觀測到的強度I(x)＝|F(x)|2的物體透射函數(obiect transmission function)Q。這可以反覆迭代進行，類似於光學全息圖像和電子顯微鏡圖像的再現(恢復)的數值形式中所用的方式，並有人描述過若干種方法(J.R.Fienup，″Phase Retrieval AlgorithmsAComparison″(相位恢復算法的比較)，Appl.Opt 21 2758(1982)；R.W.Gerchberg and W.O.Saxton，Optik(Stuttgart)35 237，(1972))。但是，收斂常常非常慢，因此，算法還有相當大的改進餘地。
上述內容涉及的均是物體結構的一維或二維投影。對於三維物體的再現，通常需要至少兩次投影(體視術)或更多次投影(用於X射線層析照相)。在本方法中，利用射束的偏轉可以實現前者；後者則需要有精確旋轉樣品的裝置，所述裝置可以由普通的機械裝置實現，但要在本發明所述的標準顯微鏡結構的基礎上作進一步的改進。
所述樣品室及與之相關的高解析度硬性X射線成像(尤其是相襯成像)方法的優點如下·極高的空間解析度(即，高效的放大倍數)。
·可作為專用樣品室與高解析度掃描電子顯微鏡結合使用。
·可用來在電子顯微鏡中在自然條件下或實驗室中研究生物樣品，不必要求生物樣品本身處在真空中，儘管樣品室是在真空中(但樣品室被適當地密封，例如用密封墊圈或環氧樹脂)。
·由於具有在比通常的生物材料軟性X射線顯微術更高的能量下獲得圖像襯度的能力，減少了輻射對樣品的傷害。
·可以通過使用不同的被激靶材料和/或電子加速電壓而改變X射線特徵能量。
·由於是整體結構，提高了機械穩定性。
·樣品室的出射窗可以用作低能X射線的帶阻過濾器(rejectionfilter)，因而去除(清除)了不想要的背景輻射(尤其是來自所述底層/隔離層的背景輻射)，所述背景輻射由於具有較大的有效源尺寸而可能損害整體的解析度。
·樣品室的容積可以做得相當小。甚至可以通過合適的密封墊圈和施加壓力而現場調節其容積，從而可以作適當的調節，以改善樣品有關的特定特徵的清晰度。
·樣品室一般可重複使用。
·通過顯微鏡中的合適的加熱載物臺，樣品室可以被維持於例如室溫。
·可以通過遷移電子束或者平移樣品室而觀察大面積的樣品，並可記錄不同程度的曝光量。
·通過使用所述輔助電子探測器，或者通過使用電子成像探測器，可以方便地監控電子束在被激靶上的聚焦。
·或者通過使激勵射束在靶上掃描，或者通過轉動整個樣品室，可以實現有限區域內的計算機化X射線層析照相(CT)。
表1無透鏡軸向式成像(in-line imaging)的特徵總結(據Pogany等，Rev.Sci.Instrums.1997年7月)A.總體上優點設備簡單，也就是，無透鏡，無反射鏡，無像差。
一般的單色性要求。
類似於現有的X射線照相系統。
減少了非相干的散射的影響。
波幅和相位信息均可從強度數據得到。
缺點要求高度側相干的源。
可能需要合適的圖像再現方法。
有效的物理放大倍數受到源尺寸及樣品與源間的隔離的限制。
無法物理接觸焦平面，從而要考慮使用各種不同的對比機制。
對射束路徑上的部件比如窗口和過濾裝置的質量的敏感度提高了。
權利要求
1.一種用於X射線成像的樣品室，它包括形成一樣品腔的裝置，以及裝在該裝置上的可被合適的入射束激發產生X射線輻射的物質體，該樣品室如此設置，使得在使用時，至少一部分所述X射線輻射穿過所述樣品腔而照射到其中的樣品，然後穿出所述裝置接受探測。
2.如權利要求1所述的樣品室，其中，所述樣品室是一個完整的獨立裝置，其方式和尺寸適於插入與之匹配的掃描電子顯微鏡或顯微探針的支承裝置，例如樣品載物臺，中的合適位置，使得所述顯微鏡或顯微探針的電子束聚焦於所述可激勵物質體，從而提供用來激勵所述物質生成X射線的入射束。
3.如權利要求1所述的樣品室，其中，所述物質可被入射的聚焦電磁輻射束激勵而產生X射線。
4.如權利要求1、2或3所述的樣品室，其中，所述樣品室是一個層列，各層在平行於層平面方向上的尺寸在一微米左右到10mm的範圍內。
5.如權利要求4所述的適合用於相襯成像的樣品室，其中，所述被激產生的X射線從中穿過的各層高度均一，並具有非常平的表面，以使照射樣品的入射射線束保持高度的空間相干性，從而使在圖像中有用的襯度最優化。
6.如前述任何權利要求所述的樣品室，其中，所述可激勵物質是一個貼附在形成所述樣品室的結構上的物質層。
7.如權利要求6所述的樣品室，其中，所述可激勵物質層的厚度在10到1000nm的範圍內，其如此設置，使得在使用時該層與所述樣品間的間隔在1到1000μm的範圍內。
8.如權利要求6或7所述的樣品室，其中，所述結構包括一個底層和/或一個隔離層，其將所述可激勵物質層與所述樣品隔離開，對X射線總體上透明，或者對X射線的某個或某幾個選定能帶透明。
9.如權利要求8所述的樣品室，其中，所述底層和/或隔離層強烈吸收所述選定X射線能帶之外的能量，以加強對生成圖像有用的X射線束的色相干性。
10.如前述任何權利要求所述的樣品室，其中，所述被激物質體是固定在一公共底層上的被分割的或刻圖的物質體區段組。
11.如前述任何權利要求所述的樣品室，其中，所述樣品室是開放的。
12.如權利要求11所述的樣品室，其中，在向所述樣品腔中置入樣品之後將所述樣品腔密封起來。
13.如權利要求1到10之任何一項所述的樣品室，其中，所述樣品腔可以閉合，所述結構包括一個透X射線的窗口，通過該窗口，所述X射線射出所述結構，以被探測到。
14.與一能敏或能量析像探測器結合使用的如前述任何權利要求所述的樣品室。
15.一種X射線顯微鏡或顯微探針，其具有生成聚焦電子束的裝置和一個如前述任何權利要求所述的樣品室，所述樣品室可被固定在支承裝置的適當位置，使得所述電子束聚焦於所述可激勵物質體，從而提供所述入射束以激勵所述物質生成X射線。
16.如權利要求15所述的X射線顯微鏡或顯微探針，其中，所述電子束在所述被激物質體中的聚焦寬度在10到1000nm範圍內。
17.如權利要求15或16所述的X射線顯微鏡或顯微探針，其中，所述生成聚焦電子束的裝置包括一個場致發射極尖電子源。
18.如權利要求15、16或17所述的X射線顯微鏡或顯微探針，其還包括一個能敏或能量析像探測器。
19.適於構成如權利要求1到14之任何一項所述的樣品室的一套部件，其中，其被裝配到電子顯微鏡或顯微探針的支承裝置中的合適位置，使得所述電子束聚焦於所述被激物質體上，從而提供所述入射束一激勵所述物質生成X射線。
20.一種用來對一樣品的一個或若干個內部邊界或者其他特徵形成放大的X射線圖像的方法，該方法包括將樣品置入如權利要求1到14之任何一項所述的一個樣品室中，然後將所述樣品室安進一電子顯微鏡或顯微探針的支承裝置中的合適位置，使得所述顯微鏡或顯微探針的所述電子束聚焦於所述可激勵物質體，從而提供所述入射束以激勵所述物質生成X射線；用一電子束照射所述可激勵物質，使所述物質產生X射線，所述射線的至少一部分穿過所述樣品腔照射到所述樣品，包括所述樣品的一個或多個內部邊界或其他的特徵，然後射出所述樣品室結構；在所述射線照射所述樣品之後，探測並記錄其至少一部分射線，以生成所述樣品之一個或多個內部邊界或其他特徵的圖像。
21.如權利要求20所述的方法，其中，所述X射線成像是相襯成像，或者是吸收襯度成像和相襯成像的混合。
22.如權利要求21所述的方法，其中，所述入射X射線束和所述照射所述樣品的射線具有高度的空間相干性，以使在圖像中有用的襯度最優化。
23.如權利要求20到22之任何一項所述的方法，其中，所述電子束在所述被激物質體中的聚焦寬度在10到1000nm範圍內。
24.如權利要求20到23之任何一項所述的方法，其中，所使用的樣品室是一個層列，各層在平行於層平面方向上的尺寸在一微米左右到大約10mm的範圍內，其中，所述被激產生的X射線從中穿過的各層高度均一，並具有非常平的表面，以使照射樣品的入射射線束保持高度的空間相干性，從而使在圖像中有用的襯度最優化。
25.如權利要求20到24之任何一項所述的方法，其中，由所述可激勵物質生成的X射線在中性到硬性X射線範圍內，也就是從1keV到1MeV，並且基本上是多色的。
26.如權利要求20到25之任何一項所述的方法，其中，由所述可激勵物質生成的X射線基本上是單色的，並且，該方法還包括增強所述X射線單色性的步驟。
27.一種X射線顯微成像配置，包括支承樣品的裝置、可被合適的入射束激勵以生成X射線的物質體，以及調節所述樣品與所述物質體間的相對位置的裝置，所述物質體被固定在一個底層上，使用中所述底層設置在所述物質體和所述樣品之間從而用作一隔離層。
28.如權利要求27所述的X射線顯微成像配置，其中，所述底層也是所述X射線的一個過濾層。
29.如權利要求27或28所述的X射線顯微成像配置，其中，所述物質可被一入射電子束激勵，所述入射電子束例如是電子顯微鏡或顯微探針中的電子束。
30.如權利要求27或28所述的X射線顯微成像配置，其中，所述物質可被聚焦的入射電磁輻射束激勵而產生X射線。
31.如權利要求27到30之任何一項所述的適用於相襯成像的X射線顯微成像配置，其中，在所述物質體的出射邊界之後，包括該邊界，所述物質體和所述底層是高度均一併具有非常平的表面的層，以使照射樣品的入射射線束保持高度的空間相干性，從而使在圖像中有用的襯度最優化。
32.如權利要求27到31之任何一項所述的X射線顯微成像配置，其中，所述被激物質體是固定在一公共底層上的被分割的或刻圖的物質體區段組。
全文摘要
一種用於X射線成像的樣品室(10),它包括形成一樣品腔(12)的裝置(11),以及裝在該裝置上的可被合適的入射束(5)激發產生X射線輻射(6)的物質體(20),該樣品室如此設置,使得在使用時,至少一部分所述X射線輻射穿過所述樣品腔(12)而照射到其中的樣品(7),然後穿出所述裝置接受探測(35)。
文檔編號G01N23/04GK1252158SQ98803984
公開日2000年5月3日 申請日期1998年4月8日 優先權日1997年4月8日
發明者史蒂芬·威廉·威爾金斯 申請人:X－射線技術股份有限公司