软x-射线

成像光学元件, X射线高分辨率成像的潜力 长期得不到发挥。一方面, X射线的衍射效 率比较低,亮度较低的X射线管不足以产生足 够强的携带高分辨信息的大角衍射信号;另 一方面,缺乏适当的光学元件,不能够在实验 上实现精确的X射线聚焦。
近20年来,随着高亮度的同步辐射光源、自
由电子激 光 、等离子体X射线源的发展,加 上纳米加工技术的飞速进步;人们能够制作 出高效率、高分辨率的物镜波带片;再加上 高速度、高灵敏的X射线探测器的研制成功, 高分辨率的X射线显微成像技术又重新活跃 起来。
其中( a)和( c)在波长为2. 07 nm (光子能量为600 eV)的情况下获得, ( b)和 ( d)在波长为1. 52 nm (光子能量为815 eV)的情况下获得
条纹和间隔显示了好的调 制度
调制度为零,根本看不清楚, 说明利用最外环为25nm的 波带片不能够分辨半周 期为15. 1nm的多层膜。
光束线612xm的1全场软x射线透射显微镜相对于光学显微镜它有更高的分辨率能够观测到样品内部的精细结构相对于电子显微镜它能观测较厚的生物样品得到更高的分辨率使用x射线吸收差分析方法还可以做出样品中元素和化学成分的分布
----Peter Fischer
复材0802 朱博
彼得菲舍尔
劳伦斯伯克利国家实验室科
美国的劳伦斯伯克利国
家实验室的Advanced Light Source (简称ALS) 同步辐射光源已经实现 了15 nm空间分辨率的X 射线成像。
软X射线显微术实验站可以提供两种成像方
法——接触显微术和透射全场显微术（中科 大在建）。
这是一种二次成像显微
方法（图2），即先利用 同步辐射光对样品进行 曝光，然后对在探测器 （光刻胶）上得到的X射 线图像进行读图。读图 离线进行，需使用光镜、 电镜、原子力显微镜或 其它装置。一般情况下 分辨率优于光学显微镜， 低于电子显微镜。
美国的ALS同步辐射装置
利用高分辨X射线成像技 术研究酵母细胞的三维 成像,其分辨率达到了60 nm,可以清楚地观察到细 胞核、细胞质、类脂滴 、甚至液泡。此三维图 像是通过一系列细胞断 层的图片重构得到的。
图 发酵的酵母细胞不同的断层图片
学家职员 pjfischer@ 电话：510-486-7052 德国慕尼黑技术大学物理系;, 奥格斯堡大学物理研究所博 士后研究员

一般研究兴趣:
超快自旋动 力学;纳米尺 度上的磁性研究；磁x射 线显微镜和光谱仪。
由高速电子撞击物质的原子所产生的电
磁波。 波长介于紫外线和γ射线 间的电磁辐射。 由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现， 故又称伦琴射线。
察具有独特功能的磁性的可能~
图：光束线6.1.2 （XM的- 1）全 场软X射线透射 显微镜
相对于光学显微镜，它有更高的分辨率， 能够观测到样品内部的精细结构
相对于电子显微镜，它能观测较厚的生 物样品，得到更高的分辨率
使用X射线吸收差分析方法，还可以做 出样品中元素和化学成分的分布。
由于缺乏性能优良的X射线光源和高分辨率
ALS同步辐射光源的软X
射线透射式显微镜 。图 中聚焦波带片用于X射线 聚焦和色散。微波带片 (也称为物镜波带片)用作 X射线显微镜的物镜进行 放大成像。
( a)用最外环宽度为25 nm的波带片对具有19. 5 nm半周期的样品的成像; ( b)用最外环宽度为15 nm的波带片对具有19. 5 nm半周期的样品的成像; ( c)用最外环宽度为25 nm的波带片对具有15. 1 nm半周期的样品的成像; ( d)用最外环宽度为15 nm的波带片对具有15. 1 nm半周期的样品的成像。
与 ( a) 图相比,用最外环宽度为15nm的波带片得到的 ( b)图噪声更低,图像更加清晰
与( c)图相比,利用最外环宽度为15 nm的波带片 得到的 ( d)图,却显示极为优秀的调制度。
这些都验证了X射线成像系统的空间分
辨率与波带片最外环宽度的关系。
发酵的酵母细胞不但是基因、分子和生物化学分析的模型 系统,而且还是蛋白新陈代谢研究的重要对象。酵母细胞直 径5μm,显微CT空间分辨率为60 nm。 ( a)细胞壁半透明的三维显示; ( b)细胞壁透明的三维显示; ( c)断层厚度为0. 5μm的断层像
X射线聚焦是一个令人头痛的问题,这是
由于在X射线波段中,各种材料的折射率 都近似等于1。因此,常规的折射光学元 件都无法使用。
波带片实质上就是一圆
形的衍射光栅,它是由线 密度径向增加的明暗相 间的同心圆环带组成的 。 根据菲涅耳圆孔衍射理 论, 把圆孔连续分割成一 个个半波带,把奇数或偶 数个半波带遮住,就构成 一个菲涅耳波带片。
波长小于0.1埃的称超硬X射线，在0.1～
1埃范围内的称硬X射线，1～10埃范围 内的称软X射线（ X射线波长略大于0.5 nm的被称作软X射线）。
对于磁的研究已接近纳米来自级，因此进一步的发展必 然与纳米的研究有关。
人眼能达到的分辨率约为0. 2 mm
软X -射线显微镜提供一个近距离观
透镜空间分辨率的一种度量就是两个彼此不相干
的点源能够被分辨的最小间距。
其横向分辨率Δ既依赖于波长又依赖于透镜的数值孔
径（瑞利判据）Δ = k1λ/NAMZP
Δ = 1. 22Δr 辨率Δ取决于物镜波带片 的最外环宽度Δr 因此,要实现纳米级的空 间分辨率,波带片的最外 环宽度也应为几十纳米, 但是制作这种波带片的 技术难度很大。