(57)【要約】【課題】高分解能で飽和現象が無いＸ線顕微鏡を提供する。【解決手段】入射するレーザ光をＸ線ターゲット１０５に導いてレーザプラズマＸ線を生成するＸ線発生部と、試料をＸ線の照射位置に支持する試料ホルダー１０７と、試料を透過したＸ線を拡大し光電変換面１１３上に結像するＸ線対物レンズ光学系１０９を備え、光電変換面１１３で発生する電子像を拡大する電子光学系が光学変換面を挟んでＸ線対物レンズ光学系と反対側に設けられ、かつＸ線発生部と試料ホルダーとＸ線対物レンズ光学系を１個の真空容器１２５内に収納して、Ｘ線像を光電変換面１１３により電子像に変換し電子光学的に拡大し結像して撮像素子１２１を介して観察するＸ線顕微鏡。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線像を光電変換面により電子像に変換し電子光学的に拡大し結像して撮像素子を介して観察するＸ線顕微鏡において、入射するレーザ光をＸ線ターゲットに導いてレーザプラズマＸ線を生成するＸ線発生部と、試料を前記レーザプラズマＸ線の照射位置に支持する試料ホルダーと、該試料を透過したＸ線を拡大し前記光電変換面上に結像するＸ線対物レンズ光学系を備え、該光電変換面で発生する電子像を拡大する電子光学系が前記光学変換面を挟んで前記Ｘ線対物レンズ光学系と反対側に設けられ、かつ前記Ｘ線発生部と前記試料ホルダーと前記Ｘ線対物レンズ光学系を１個の真空容器内に収納したことを特徴とする結像型Ｘ線顕微鏡。
【請求項２】
前記Ｘ線対物レンズ光学系がシュワルツシルド型光学系で構成されることを特徴とする請求項１記載の結像型Ｘ線顕微鏡。
【請求項３】
前記Ｘ線発生部と前記試料ホルダーの間にウォルター型光学系で構成されたＸ線集光光学系を備え、前記Ｘ線対物レンズ光学系がウォルター型光学系で構成されることを特徴とする請求項１記載の結像型Ｘ線顕微鏡。
【請求項４】
前記真空容器が前記電子像の拡大結像系を収納する真空容器を兼ねることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の結像型Ｘ線顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、Ｘ線像を光電変換面により電子像に変換し電子光学的に拡大し結像して撮像素子を介して観察するＸ線顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線は透過力が強いため、物体の内部構造を観察することができる。そこでＸ線透過像を拡大表示するＸ線顕微鏡がいろいろな分野で利用されている。
特に、生体を生きたままＸ線像観察することができる装置があると、生物学、生物化学、あるいは医学などの研究に大きく貢献することができる。
【０００３】
Ｘ線はエネルギーが高いため物質を透過する力が強いが、可視光のように効率的に屈折や反射をする光学素子が存在しない。また、電荷を持たないため、電子線のように電磁コイルを利用した光学的素子も利用することができない。
このように、適当なレンズ系が無いためＸ線透過像を大きな倍率で拡大することが難しく、対象物を大きな分解能の下で観察することが難しい。たとえば、細胞内の微細構造や染色体などを観察するためには５０ｎｍ程度、またＤＮＡ組織などまで観察するには２０ｎｍ程度の分解能が要求される。
【０００４】
Ｘ線透過像を拡大観察するようにしたＸ線顕微鏡として、特許文献１に開示されたシュワルツシルド型Ｘ線光学系を用いてＸ線透過像を拡大するＸ線顕微鏡がある。このＸ線顕微鏡では、Ｘ線コンデンサーレンズで収束した後の拡大するＸ線光束中に試料をセットし、試料を透過するＸ線像を２段のシュワルツシルド型Ｘ線光学系で拡大して蛍光変換面に結像させることにより空間分解能を数１０ｎｍにすることができる。
【０００５】
また、特許文献２には、Ｘ線発生器直後の放射状に放出されるＸ線光束中に試料を配置して、試料を透過したＸ線像を真空容器内に設置したウォルター型光学系で光電変換面に結像させて、生成する電子像を電磁コイル群で構成される電子レンズで加速拡大して蛍光面に投影し可視化して観察できるようにしたＸ線像観察装置が開示されている。この観察装置では、真空室の外に試料が配置されていて、減衰を避けるため強度の強いＸ線を照射する必要があるが、数万倍の拡大倍率を有するとされている。
【０００６】
しかし、これらＸ線自体を光学的に拡大するＸ線顕微鏡は、Ｘ線光学素子の拡大倍率が限られるので、大きな分解能を持たせると装置として極めて大型になる。また、Ｘ線光学系では倍率変更が困難なためズーミング機能を持たせることが難しく、試料中の特定の位置を探し出すための操作が煩雑で時間を必要としていた。さらに、強度の強いＸ線を照射する必要があるので、生体を生きたまま観察することは難しかった。
【０００７】
また、試料を真空容器外に設置するものでは、水による吸収係数が小さいため生体試料の観察に適したいわゆる水の窓領域にある波長２．３〜４．４ｎｍのＸ線を用いたときには、試料を透過したＸ線が真空容器に入射したときには、大気や入射窓などにより大きく減衰して、十分な観察像を得るために長時間の蓄積を要する。たとえば３００ｅＶのＸ線は大気中を数ｍｍ程度しか透過しないし、厚さ２０μｍのベリリウム窓の透過率は１％以下になる。
【０００８】
Ｘ線顕微鏡には、Ｘ線自体の拡大によらずＸ線透過像を電子像に変換して電子レンズ系で拡大して観察できるようにしたものがある。
本願出願人によって開示された特許文献３や特願２００２−１５２１３６には、図３や図４に示すように、光電変換を利用してＸ線像を電子像に変換し、電子像を拡大して撮像素子上に結像し可視化して観察するようにしたＸ線顕微鏡が記載されている。この開示発明は、裏面に光電変換面を有する試料ホルダーの表面に試料を密着してセットし、Ｘ線を照射して形成したＸ線像を電子像に変換して電磁レンズ系で拡大し撮像面に結像させて、試料のＸ線像を観察する。
【０００９】
このＸ線顕微鏡は、ズーミング機能を備えるため生体試料の観察にも便利である。さらに、これに用いる軟Ｘ線は電子線に比べて生体試料に与えるダメージが小さく、また無染色で観察できるので、生体試料の観察に好都合である。
画像検出部に空間分解能１５μｍのマイクロチャンネルプレートＭＣＰを用いると、Ｘ線像の倍率は安全率を見込んでも１０００倍程度あれば５０ｎｍの分解能を持たせることができる。
【００１０】
ところが、開示の装置で１０００倍のＸ線像拡大率を得るためには、電子の加速空間での加速場収差が問題となり、高分解能を達成するために引加電圧をできるだけ高くし、光電変換面とアノードの間の距離をできるだけ短くし、光電変換面から放出される２次電子のエネルギーをできるだけ小さくするなどの対策が必要である。光電変換材料に選択の余地は少なく、加速電圧を高くし光電変換面とアノードの距離を短くすることになるので、放電防止に格段の注意が必要となり、高分解能を達成することは容易でなかった。
【００１１】
また、フレネル回折による分解能の低下を避けるため、たとえば厚さ１００ｎｍの窒化珪素薄膜を挟んで表側に試料を載せ裏側に光電変換膜を形成するなど、試料と光電変換面はできるだけ密着させて配置する。ところが、光電変換膜には通常ヨウ化セシウムが用いられ、潮解性を有するため、特に水を含む生体試料を観察する場合に試料調製が難しかった。
【００１２】
【特許文献１】
特開平６−６７０００号公報
【特許文献２】
特公平５−４７７８号公報
【特許文献３】
特開２００３−４３２００号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、高分解能で飽和現象が無いＸ線顕微鏡を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の結像型Ｘ線顕微鏡は、Ｘ線像を光電変換面により電子像に変換し電子光学的に拡大し結像して撮像素子を介して観察するＸ線顕微鏡であって、入射するレーザ光をＸ線ターゲットに導いてレーザプラズマＸ線を生成するＸ線発生部と、試料をＸ線の照射位置に支持する試料ホルダーと、試料を透過したＸ線を拡大し光電変換面上に結像するＸ線対物レンズ光学系を備え、光電変換面で発生する電子像を拡大する電子光学系が光学変換面を挟んでＸ線対物レンズ光学系と反対側に設けられ、かつＸ線発生部と試料ホルダーとＸ線対物レンズ光学系を１個の真空容器内に収納したことを特徴とする。
【００１５】
本発明の結像型Ｘ線顕微鏡は、Ｘ線像の拡大機能と電子像の拡大機能を組み合わせたもので、試料を透過したＸ線束をＸ線対物レンズ系でたとえば１０倍に拡大して光電変換面に投影し、光電変換後の電子像を電子光学系で１００倍程度に拡大して撮像素子面上に結像させれば、簡単に１０００倍程度の拡大倍率が得られる。１００倍程度の倍率ならば電子像拡大機構に高度な仕様を要求する必要が無く、比較的簡単に構成することができる。
【００１６】
たとえば、Ｘ線対物レンズとしてシュワルツシルド型光学系を用いた場合、物点と像点間距離が１ｍ程度の比較的小型な構成により、容易に水の窓領域で１０倍の拡大倍率を得ることができる。
これによって、試料上で５０ｎｍの大きさは光電変換面上に５００ｎｍに拡大されて結像する。これを電子光学系でＭＣＰや蛍光板に結像させて観察すれば、電子光学系の倍率は１００倍で十分になる。このとき、電子光学系に要求される分解能は２００ｎｍ程度である。したがって、高分解能を得るために極端に加速電圧を高くしたり光電変換面とアノード間の距離を短くする必要がない。
【００１７】
また、レーザプラズマＸ線を用いることができる。
レーザプラズマＸ線は、通常、パルス幅が数ナノ秒、波長１０６４ｎｍ、繰り返し数１０Ｈｚ程度のＮｄ：ＹＡＧレーザを光学レンズで金属ターゲットに集光して発生するプラズマから得られる。ターゲット材に金ＡｕやモリブデンＭｏを用いると２〜５ｎｍの軟Ｘ線が多く発生し、数ナノ秒のパルスＸ線となる。
【００１８】
生きた生体試料を観察するときは、ブラウン運動により像が不明瞭になる現象がある。５０ｎｍの分解能で観察するときに像のぼけを防止して組織の姿を正確に捉えるためには０．５ｍｓ以下の短時間撮像が必要とされる。
光電変換膜における変換時間はピコ秒以下と非常に早く、また、光電変換面から２次電子が放出される時間も同程度であるので、レーザプラズマＸ線を用いることにより、この要求に応えることができる。
【００１９】
しかし、たとえばヨウ化セシウムを用いた光電変換式結像型Ｘ線顕微鏡において、観察に耐える像を形成するために必要なＸ線量は約１×１０１１個／ｍｍ２とされるので、ヨウ化セシウムがＸ線１個に対して電子０．３個に変換するとすれば、１パルスのＸ線で良好なＸ線像を形成するときのピーク電流密度が約１Ａ／ｍｍ２と非常に大きくなり、空間電荷効果により像が形成できなくなる場合がある。
空間電荷効果を抑制するため、ターゲットに照射するレーザの強度を低下させればＸ線発生効率が低下し好ましくない。また、一方、短時間にあまりに多量のＸ線が入射した場合、放出する光電子の量が多くなり、光電変換面が電子欠乏状態になって電子像が形成できなくなる問題がある。
【００２０】
本発明のＸ線顕微鏡では、Ｘ線対物レンズ系を用いるため、Ｘ線光束の拡大倍率が１０倍であれば、光電変換面におけるＸ線密度は１００分の１になる。したがって、レーザプラズマＸ線の１パルスでＸ線像を形成させるためには、電子光学系におけるピーク電流は０．０１Ａ／ｍｍ２程度に低下し、空間電荷効果の像形成への影響は無視できる水準となり、また光電変換面における電子供給も問題なくなる。
【００２１】
また、本発明のＸ線顕微鏡では、Ｘ線発生部と試料ホルダーとＸ線対物レンズ系が真空室内に設置されるので、生体試料の観察に適した水の窓領域のＸ線を用いるときにも減衰が小さく、十分観察に耐えるＸ線透過像を得ることができる。さらに、試料を透過したＸ線の減衰が少ないので、像観察時間を短縮することができる。
なお、電子線拡大部も高い真空度が要求されるので、Ｘ線対物レンズ系等を電子像拡大レンズ系と同じ真空容器内に収納するようにしても良い。
【００２２】
本発明のＸ線顕微鏡は、Ｘ線発生部と試料ホルダーの間にウォルター型光学系で構成されたＸ線集光光学系を備え、さらに、Ｘ線対物レンズ光学系がウォルター型光学系で構成されるものであってもよい。
レーザプラズマＸ線源から放射されるＸ線をウォルター型Ｘ線集光鏡で収束し、拡大するＸ線光束中に試料をおいて、試料を透過したＸ線光束をウォルター型光学系で収束して光電変換面に結像させる。ウォルター型光学系は収束力が比較的小さいが、拡大倍率が１０倍程度であれば十分コンパクトに構成することができる。
【００２３】
本発明の結像型Ｘ線顕微鏡は、試料と光電変換膜が分離されるとともにズーミング機能を備える。したがって、含水試料の観察に適し、生体試料を生きたまま観察することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の結像型Ｘ線顕微鏡を実施の形態に基づいて説明する。
【００２５】
【実施例１】
本実施例は、シュワルツシルド型光学系を用いて試料透過Ｘ線像を拡大するようにした結像型Ｘ線顕微鏡である。図１は、本実施例の概念構成図である。
図１に示すように、本Ｘ線顕微鏡１００は、レーザ発生器１０１、集光レンズ１０３、Ｘ線ターゲット１０５、試料ホルダー１０７、シュワルツシルド型光学系１０９、光電変換面１１３、電子光学系におけるアノード１１５、磁界対物レンズ１１７、磁界投射レンズ１１９、ＭＣＰ蛍光板１２１、ＣＣＤカメラ１２３を備える。
これらの構成要素のうちレーザ発生器１０１とＣＣＤカメラ１２３を除いた全てが高真空に保った真空容器１２５の内に収納される。
【００２６】
レーザ発生器１０１は、パルス状のレーザを発生し、真空容器の窓を通って集光レンズ１０３でＸ線ターゲット１０５の表面に集光する。Ｘ線ターゲット１０５は金ＡｕやモリブデンＭｏなどの金属を表面に貼り付けた回転ドラムで、レーザにより金属プラズマを生成し金属種に対応するＸ線を発生する。金やモリブデンでは、２〜５ｎｍの軟Ｘ線を多く含む数ナノ秒のパルスＸ線が発生する。
Ｘ線ターゲット１０５は回転してレーザ光が常に新しい面に照射するようにする。
【００２７】
Ｘ線ターゲット１０５から放射状に放出されるＸ線の光束内に試料が位置するように試料ホルダー１０７が配置されている。
試料に照射して透過したＸ線像は、Ｘ線放射方向に拡大しながらＸ線光学系１０９に入射する。
Ｘ線光学系１０９は中心に穴を有し多層膜をコーティングした凹面球面鏡１１０とこれに対向して同軸に設けられる多層膜コーティング凸面球面鏡１１１から構成されるシュワルツシルド型光学系である。
Ｘ線透過像はＸ線光学系１０９により光電変換面１１３に結像され、Ｘ線透過像と対応した電子像が光電変換面１１３上に形成される。
Ｘ線像の拡大倍率は１０倍程度でよく、シュワルツシルド型光学系で十分余裕を持って実現できる。また、Ｘ線の行程は真空容器中にあるので、生体観察に適した水の窓領域の軟Ｘ線を使うときにも試料以外の雰囲気によって減衰しにくくＸ線透過像を再現性よく光電変換面１１３上に投影することができる。
【００２８】
光電変換面１１３には、直流電源１１４によってアノード１１５との間に直流電圧が引加され、電子像から放出される２次電子はこの電圧によって電子光学系内に引き出される。
電子光学系は、磁界対物レンズ１１７と磁界投射レンズ１１９で構成され、電子像を電子的に拡大してマイクロチャンネルプレートＭＣＰ１２１に結像させる。拡大倍率は構造的に無理なく実現できる１００倍程度であってよい。
ＭＣＰ１２１は空間分解能が１５μｍあって蛍光板が添えられており、電子像を可視化し、可視化した電子像、すなわち拡大されたＸ線透過像は、ＣＣＤカメラ１２３によって図外のＣＲＴなどの表示装置に表示する。
【００２９】
本実施例の結像型Ｘ線顕微鏡１００によれば、空間分解能１５μｍのＭＣＰ１２１を使って、Ｘ線透過面における５０ｎｍより精密な分解能を簡単に実現することができる。
また、０．５ｍｓ以下の短時間撮影が可能なため、ブラウン運動があっても物の正確な位置を検出することができる。また、光電変換面におけるＸ線密度が大きくならないので、電子欠乏状態にならず、リアルタイムで電子像を形成させて観察することができる。
【００３０】
【実施例２】
本実施例は、実施例１におけるシュワルツシルド型光学系に代えて集光鏡とウォルター型光学系を用いたことを特徴とする結像型Ｘ線顕微鏡である。図２は、本実施例の概念構成図である。
以下、実施例１と重複する部分は簡単に説明する。
図２に示すように、本Ｘ線顕微鏡２００は、レーザ発生器２０１、集光レンズ２０３、Ｘ線ターゲット２０５と、光電変換面２１３、電子光学系におけるアノード２１５、磁界対物レンズ２１７、磁界投射レンズ２１９、ＭＣＰ蛍光板２２１、ＣＣＤカメラ２２３を備え、さらに実施例１におけるシュワルツシルド型光学系に代えて集光鏡２０７とウォルター型光学系２１１を備える。なお、試料ホルダー２０９は、集光鏡２０７とウォルター型光学系２１１の間に配置される。
また、実施例１と同様に、レーザ発生器２０１とＣＣＤカメラ２２３を除いた全ての構成要素が真空容器２２５の内に収納される。
【００３１】
レーザ発生器２０１で発生するレーザが集光レンズ２０３でＸ線ターゲット２０５の表面に集光すると、Ｘ線ターゲット２０５は２〜５ｎｍの軟Ｘ線を多く含む数ナノ秒のパルスＸ線を発生する。
Ｘ線ターゲット２０５から放射状に放出されるＸ線は、Ｘ線集光鏡２０７で収束され、その後再び拡大する光束内に試料が位置するように試料ホルダー２０９が配置される。したがって、試料のＸ線透過像は、拡大しながらウォルター型光学系２１１に入射する。
ウォルター型光学系は、表面すれすれの角度で入射する軟Ｘ線が全反射することを利用し、焦点を共有する回転放物面と回転双曲面と組み合わせてＸ線を結像させる光学系である。
なお、Ｘ線集光鏡２０７もウォルター型光学系で構成してもよい。
【００３２】
Ｘ線透過像はＸ線光学系２１１により光電変換面２１３に結像され、Ｘ線透過像と対応した電子像が形成される。
Ｘ線像の拡大倍率は１０倍程度でよく、ウォルター型光学系で十分実現できる。光電変換面２１３とアノード２１５の間には、直流電源２１４によって直流電圧が引加され、電子像から放出される２次電子が磁界対物レンズ２１７と磁界投射レンズ２１９で構成される電子光学系に送り込まれ、マイクロチャンネルプレートＭＣＰ２２１に結像させる。
ＭＣＰ２２１に結蔵した拡大されたＸ線透過像は、ＣＣＤカメラ２２３によって図外のＣＲＴなどの表示装置に表示される。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の結像型Ｘ線顕微鏡によって、生体試料を生きた状態でＸ線透過像として観察することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る結像型Ｘ線顕微鏡の第１の実施例を示す概念構成図である。
【図２】本発明に係る結像型Ｘ線顕微鏡の第２の実施例を示す概念構成図である。
【図３】従来技術における結像型Ｘ線顕微鏡例を示す概念構成図である。
【図４】図３の電子光学系を説明する概念構成図である。
【符号の説明】
１００  第１実施例のＸ線顕微鏡
２００  第２実施例のＸ線顕微鏡
１０１，２０１  レーザ発生器
１０３，２０３  集光レンズ
１０５，２０５  Ｘ線ターゲット
１０７  試料ホルダー
１０９  シュワルツシルド型光学系
１１０  凹面球面鏡
１１１  凸面球面鏡
１１３，２１３  光電変換面
１１４，２１４  直流電源
１１５，２１５  アノード
１１７，２１７  磁界対物レンズ
１１９，２１９  磁界投射レンズ
１２１，２２１  ＭＣＰ蛍光板
１２３，２２３  ＣＣＤカメラ
１２５，２２５  真空容器
２０７  集光鏡
２０９  試料ホルダー
２１１  ウォルター型光学系
【図１】
2004347463.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2004347463.tif 000006