專利名稱：X射線光電子全息圖的記錄裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種記錄X射線光電子全息圖的裝置，特別是涉及一種光陰極光電子放大的全息圖的記錄。
背景技術(shù)：
近年來，由于同步輻射源快速發(fā)展以及高亮度X射線激光的問世，大大促進(jìn)了X射線全息術(shù)的發(fā)展。在先技術(shù)中，記錄X射線全息圖的裝置有兩種1.蓋柏同軸X射線全息記錄裝置(參見在先技術(shù)[1]J.Opt.Soc.Am.(A)，1990，7(10)1847-1861)。圖1為蓋柏同軸X射線全息圖記錄裝置結(jié)構(gòu)示意圖。多色同步輻射X射線源1經(jīng)會聚波帶片2和針孔光欄3組成的單色儀濾波后，得到準(zhǔn)單色的X射線，其中一部分用來提供對待測樣品4照明的作為物束，未經(jīng)待測樣品4擾動的另一部分用來作參考束。物束與參考束在同一軸線上故稱為同軸X射線全息。用光刻膠聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)5作為記錄介質(zhì)記錄全息圖，然后用高分辨率的透射電子顯微鏡或原子力顯微鏡對全息圖進(jìn)行讀出放大，再用微密度計進(jìn)行數(shù)字化輸入到計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字重構(gòu)。這種記錄方式獲得的最好的結(jié)果，分辨率達(dá)到40nm(參見在先技術(shù)[2]M.Hwells，C.Jacobsen，et al.，Science，238，1987，514)。
2.無透鏡傅立葉變換X射線全息記錄裝置。(參見在先技術(shù)[3]Science，1992，2561009-1012)。由X射線源1出射相干X射線束，經(jīng)會聚波帶片2后，其零級波用來照明待測樣品4，其一級衍射波聚焦產(chǎn)生參考點(diǎn)源，待測樣品4與參考點(diǎn)源在同一平面上。在此平面上放置一針孔光闌3，起分割濾波作用。物光與參考光在光闌后面一定距離后的區(qū)域內(nèi)相遇交疊產(chǎn)生干涉條紋，被涂有X射線熒光粉的電荷耦合器(CCD)7記錄。記錄的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后直接輸入計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字重現(xiàn)。在CCD前放置一光闌6，阻止零級光直接輻照到CCD7上。
上述兩種全息記錄裝置主要存在的缺點(diǎn)是1.蓋柏同軸X射線全息記錄裝置，雖然采用的光路簡單，不需光學(xué)元件，也無需精細(xì)調(diào)整光路。但它對記錄介質(zhì)的分辨率要求很高。因為要獲得較高的全息成像分辨率，則記錄介質(zhì)需要記錄十分精細(xì)的高級次干涉條紋。而若提高光刻膠的分辨率則它的靈敏度會下降，這就需要增加曝光量。而曝光時間的增加極易導(dǎo)致記錄介質(zhì)被電子束損傷。此外，由于記錄在光刻膠上的全息干涉條紋的間距太小，需經(jīng)高分辨率的后續(xù)設(shè)備如透射電子顯微鏡或原子力顯微鏡的讀出放大，轉(zhuǎn)錄于膠片上，再用微密度計將膠片上的圖像進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)文件，才能輸入到計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字重現(xiàn)，這樣全息圖經(jīng)過多次加工、放大、洗印、數(shù)字化處理等過程，引入了很大的噪聲，降低了信噪比和成像質(zhì)量。因此蓋柏同軸X射線全息裝置難以獲得近衍射極限高分辨率。
2.上述第二種裝置所用的無透鏡傅立葉變換X射線全息顯微鏡，雖然對記錄介質(zhì)的分辨率要求較低，但卻對產(chǎn)生參考點(diǎn)源的菲涅耳波帶片要求很高。因為菲涅耳波帶片外圍環(huán)帶的空間頻率將決定X射線無透鏡傅立葉變換全息圖的分辨率。而高分辨率的菲涅耳波帶片的制作同樣面臨著高分辨率的記錄介質(zhì)的問題。所以這種全息顯微鏡的制作同樣難以實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述在先技術(shù)中所存在的缺點(diǎn)，提出一種新的記錄裝置，即X射線光電子放大全息圖的記錄裝置。是將X射線全息圖，通過一個X射線光陰極將其轉(zhuǎn)化為光電子全息圖，再利用電子顯微鏡的加速放大部分對光陰極的相干光電子進(jìn)行放大，然后用CCD接收，記錄下放大的電子全息干涉圖，再輸入計算機(jī)進(jìn)行重構(gòu)，便獲得物體的顯微放大像。
本發(fā)明的X射線光電子全息圖記錄裝置如圖3所示。
在真空腔13里置有X射線源1，在距X射線源1的10000mm(10米)處置有一波帶片2，在波帶片2的一級衍射焦點(diǎn)O處，放一針孔光欄3，在距針孔光欄3為700mm處放一光陰極8，在針孔光欄3和光陰極8之間，距光陰極8為50微米到1毫米處置放待測樣品4，在光陰極8和接收器11之間，從光陰極8開始依次置有加速陽極9和放大電磁透鏡10，接收器11的輸出與計算機(jī)12相連。
所說的波帶片2是用來對多色X射線進(jìn)行色散，它和針孔光欄3組成一個單色儀，從針孔光欄3出射的X射線成為一準(zhǔn)單色X射線，入射到待測樣品4上。特別要指出的是待測樣品4到光陰極的距離是一個非常重要的參數(shù)，它直接影響到成像分辨率和對電子束源相干性的要求，可用以下公式表示λ2Δλ=0.186λzr02]]>式中λ為X射線波長，Δλ為X射線的線寬，r0為待測樣品4中所能分辨的最小尺寸稱為物元的半徑，Z為待測樣品4到光陰極9的距離。一般可取50微米到1毫米。
所說的光陰極8，是將照射在它上面的X射線轉(zhuǎn)換為光電子，光陰極8的材料通常有三類(1)金屬類，主要有金、銅、鎂、鉭等，其特性是閾值功率高，量子效率低，由于大部分入射光能轉(zhuǎn)換成熱能，對高重復(fù)率運(yùn)轉(zhuǎn)的光陰極需要冷卻；優(yōu)點(diǎn)是容易制備，使用壽命長，對真空度要求低，一般為10-5～10-8。(2)金屬化合物及合金，典型的有LaB6，有較高的量子效率，對紫外波段有較高的靈敏度，對真空度要求也低。(3)半導(dǎo)體光陰極。主要是多堿銻化物材料。如Cs3Sb，CsK2Sb，和GaAs等。半導(dǎo)體光陰極的量子效率最高，可達(dá)2～8％；閾值功較低，可以獲得較高的電流密度。唯一的缺點(diǎn)是壽命短，只有幾十個小時。(參見文獻(xiàn)陳建文、歐陽斌、王之江，強(qiáng)激光技術(shù)進(jìn)展，1992年，第3輯，1-5)。
實際使用中必須根據(jù)X射線光子的波長、所需光陰極的閾值功及量子效率等各方面的綜合性能從三類材料中作出選擇。本發(fā)明中選擇使用壽命長的金屬作光陰極。
本發(fā)明的X射線全息圖記錄裝置從X射線源1發(fā)出的X射線，經(jīng)波帶片2色散衍射聚焦和針孔光欄3濾波，成為一準(zhǔn)單色X射線，入射到待測樣品4上，待測樣品4中對X射線不透明和半透明部分的散射的準(zhǔn)單色X射線作為物束；另一部分經(jīng)待測樣品4中透明部分的準(zhǔn)單色X射線為參考束；物束與參考束重疊干涉，形成一個蓋柏同軸X射線全息的干涉場。這一干涉場作用到光陰極9上時，便產(chǎn)生相應(yīng)的光電子干涉場。由光陰極進(jìn)行光電子轉(zhuǎn)換后，攜帶了待測樣品4信息的光電子，再經(jīng)過加速陽極9加速和電磁透鏡10放大成像在接收器11的接收面上。本發(fā)明中接收器11采用電荷耦合器(CCD)。接收器11的輸出輸入到計算機(jī)12內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再現(xiàn)圖像。放大電磁透鏡10的放大倍數(shù)取決于電子顯微鏡的放大倍數(shù)，可以從幾千倍到100萬倍。這樣就大大降低了對接收器11的CCD分辨率的要求。
本發(fā)明與在先技術(shù)相比的主要優(yōu)點(diǎn)是1、由于采用光陰極8代替了在先技術(shù)[1]中蓋柏同軸全息裝置中的PMMA記錄介質(zhì)，系統(tǒng)成像的分辨率大大提高，可以達(dá)到0.5nm左右；2、本發(fā)明中采用放大電磁透鏡10直接放大，避免了在先技術(shù)[1]蓋柏同軸全息裝置中對全息圖的多次加工、放大、洗印的處理過程，操作更方便，引入的人為噪聲更小；3、CCD探測到的信號輸出到計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字重現(xiàn)時，可對再現(xiàn)結(jié)果進(jìn)行處理，消除同軸全息中的“孿生像”干擾噪聲?？蓪崿F(xiàn)對待測樣品的“實時觀測”。


圖1為在先技術(shù)[1]中蓋柏同軸X射線全息裝置的結(jié)構(gòu)光路示意圖。
圖2為在先技術(shù)[2]中無透鏡傅立葉變換X射線全息裝置的結(jié)構(gòu)光路示意圖。
圖3為本發(fā)明的X射線光電子全息圖的記錄裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如上述本發(fā)明的X射線光電子全息圖記錄裝置圖3所示的結(jié)構(gòu)。
從作為X射線源1的同步輻射源發(fā)出的X射線通過波帶片2的色散和針孔光闌3濾波。根據(jù)波帶片2的焦距與波長成反比的性質(zhì)，可將不同波長的X射線色散，再用針孔光闌3進(jìn)行濾波并減小光源線度，調(diào)整針孔光欄3的大小，可獲得所需的空間相干的準(zhǔn)單色X射線束。波帶片2的中心波長為2.3nm，最外環(huán)寬度0.465μm，環(huán)數(shù)N＝1506，波帶片2的半徑ρ＝1.4mm，一級焦距為566mm。波帶片2與X射線源1的距離選為10m，針孔光闌3的孔徑d＝8μm，則線寬Δλ＝λd/ρ＝0.013nm，單色性為λ/Δλ＝103，時間相干長度為Lc＝λ2/Δλ＝0.407μm。待測樣品4距離針孔光闌3為R＝700mm，則該處的相干范圍為b＝Rλ/d＝201μm。由此可見，經(jīng)過單色化后的X射線具有一定的相干性，適合進(jìn)行全息成像。
準(zhǔn)單色X射線束照射待測樣品4以后，形成一個蓋柏同軸X射線全息干涉場。這一干涉的X射線場輻照在光陰極8上，產(chǎn)生光電子全息干涉場。光陰極9是由金屬鉭構(gòu)成。待測樣品4是小白鼠的癌細(xì)胞切片。待測樣品4距光陰極8的距離Z為500微米。由光陰極8射出的光電子含有待測樣品4的結(jié)構(gòu)信息，被加速陽極9加速和放大電磁透鏡10進(jìn)行放大成像，于是在CCD的接收器11上形成一個含有待測樣品4結(jié)構(gòu)信息的光電子全息干涉圖。
由于干涉條紋間距可以通過放大電磁透鏡10進(jìn)行放大，因此大大降低了對接收器11分辨率的要求。采用CCD的接收器11記錄并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，可直接在計算機(jī)13上進(jìn)行數(shù)字重現(xiàn)。獲得待測樣品4的結(jié)構(gòu)圖像。
本發(fā)明的光陰極光電子放大X射線全息裝置，可以實現(xiàn)實時快速地觀測自然狀態(tài)下的生物樣品的三維超微細(xì)結(jié)構(gòu)，分辨率可達(dá)衍射極限，應(yīng)用到現(xiàn)代醫(yī)療診斷和生物活性細(xì)胞的觀察研究中，具有準(zhǔn)確性、真實性和及時性。
權(quán)利要求
1.一種X射線光電子全息圖的記錄裝置，包括置放在真空腔(13)內(nèi)的X射線源(1)，在真空腔(13)內(nèi)距X射線源(1)10米處置有波帶片(2)，在波帶片(2)的一級衍射焦點(diǎn)(O)處，置有一針孔光闌(3)，有輸出連接到真空腔(13)外的計算機(jī)(12)上，其特征在于在真空腔(13)內(nèi)距針孔光欄(3)700mm處置有光陰極(8)；待測樣品(4)置放在針孔光欄(3)與光陰極(8)之間距光陰極(8)50微米到1毫米處；在光陰極(8)與接收器(11)之間置有放大電磁透鏡(10)。
全文摘要
一種X射線光電子全息圖的記錄裝置,包括在真空腔內(nèi),X射線源發(fā)射的X射線經(jīng)波帶片衍射聚焦,針孔光闌濾波,穿過待測樣品的準(zhǔn)單色X射線被待測樣品中不透明和半透明部分散射的為物束與穿過待測樣品中透明部分的參考束重疊干涉。通過光電陰極將X射線全息轉(zhuǎn)換為光電子干涉場,經(jīng)過加速陽極的加速和放大電磁透鏡放大成像在輸出連接到計算機(jī)上的接收器的接收面上。信息進(jìn)入計算機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖象再現(xiàn)。具有較高的分辨率,分辨率達(dá)到0.5nm。操作方便,可以實時快速地觀測自然狀態(tài)下的生物樣品的三維超微結(jié)構(gòu)。
文檔編號G01N23/223GK1381718SQ02111730
公開日2002年11月27日 申請日期2002年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月17日
發(fā)明者高鴻奕, 陳建文, 謝紅蘭, 徐至展 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所