РЕНТГЕНОВСКИЙ ФАЗОВО-КОНТРАСТНЫЙ МИКРОСКОП С ОБЪЕКТИВОМ, СОДЕРЖАЩИМ АКСИКОН

Полезная модель относится к области рентгенотехники и может быть использована в рентгеновской фазово-контрастной микроскопии, и в частности, в области физики или медицины.
В настоящее время традиционные методы рентгеновской радиографии, томографии и микроскопии широко используются в современных научных и прикладных исследованиях. Такие методы позволяют получить изображение внутренней структуры изучаемого образца с высоким пространственным разрешением. Формирование контраста изображений происходит за счет поглощения рентгеновских лучей различными участками объекта, что дает возможность явным образом зарегистрировать пространственное распределение коэффициента поглощения в образце. Такой принцип реализован, например, в публикации Lengeler B., Schroer C., TuÈmmler J., Benner B., Richwin M., Snigirev A., ...&Drakopoulos M. Imaging by parabolic refractive lenses in the hard X-ray range. Journal of Synchrotron Radiation, (1999). 6(6), 1153-1167.
Недостатком технического решения является его неэффективность при исследовании слабо-поглощающих (фазовых) объектов, где из-за малого изменения коэффициента поглощения контраст получаемых изображений довольно слабый.
Известно устройство когерентного рентгеновского фазового микроскопа Цернике по патенту на изобретение США №US7787588 (опубликован 31.08.2010) в котором фазово-контрастное изображение формируется за счет интерференции между опорной волной, сдвинутой по фазе с помощью фазовой пластинки, и волной, рассеянной на образце.
Недостатком технического решения является то, что для получения интерферирующих пучков применяется специальная кольцевая подсветка образца, реализованная с использованием комбинации поглотителей пучка или кольцевого отверстия. Это требует много времени для регулировки и выравнивания соответствующей оптической схемы. Кроме того, конструкция фазовой пластинки, используемой в микроскопии Цернике, вычисляется только для определенной длины волны, так как предполагаемый фазовый сдвиг опорной волны должен быть равен половине периода. Кроме того, величина сдвига фазы определяется размерами исследуемого образца, и может быть отрегулирована только при помощи фазосдвигающих пластин различной толщины. При этом толщину фазовой пластины необходимо подбирать также при изменении энергии рентгеновского излучения. Более того, в некоторых случаях возникают дополнительные трудности, связанные с ограничениями изготовления таких фазовых пластинок.
Появление современных высококогерентных источников синхротронного излучения позволяет изучать слабо-поглощающие объекты при помощи фазово-контрастных методов исследования, использующих механизм формирования изображений, основанный на принципах когерентного взаимодействия рентгеновских лучей.
Известно устройство когерентного рентгеновского фазового микроскопа по патенту на изобретение РФ №2426103 (опубликован 10.08.2011), в котором расходящееся рентгеновское излучение вводится в рентгеновскую линзу, представляющую собой фокон, состоящий из полых стеклянных микротрубок, диаметр которых на длине трубок, составляющих десятки сантиметров, непрерывно уменьшается на несколько порядков, что позволяет получить на выходе фокона диаметр рентгеновского пучка не более 10 микрон, при этом плотность мощности излучения может возрасти на 8 порядков. Часть сформированного фоконом рентгеновского пучка с помощью делительного кристалла направляется на рентгеновский волноводный спектрометр. Использование двух взаимно перпендикулярных щелей позволяет уменьшить размер пучка до сотен нанометров и получить пространственно когерентный рентгеновский пучок. Таким рентгеновским пучком облучается исследуемый микро- или нанообъект. При этом микро- или нанообъект дискретно вращается относительно оси, перпендикулярной рентгеновскому пучку, с помощью сканера. Если размеры объекта больше размера пучка, то при помощи сканера происходит смещение объекта перпендикулярно оси рентгеновского пучка. Для каждого пространственного положения исследуемого объекта интенсивность прошедшего и дифрагированного когерентного рентгеновского излучения детектируется с помощью матричного детектора. С помощью персонального компьютера из двумерных распределений интенсивности прошедшего рентгеновского характеристического излучения, полученного для набора дискретных углов поворота объекта, компьютерно реконструируется трехмерное изображение объекта, а вычисление фазовых задержек в объемной среде, линейно связанных с электронной плотностью и относительным показателем преломления, позволяет реконструировать распределение электронной плотности или относительного показателя преломления.
Недостатком устройства является то, что фазово-контрастные изображения формируются на большом расстоянии от исследуемого объекта, а также высокая сложность устройства и требования к тонности изготовления его элементов.
Технический результат, на получение которого направлена полезная модель, заключается в создании рентгеновского фазово-контрастного микроскопа с широким диапазоном энергий, не требующего использования специальной кольцевой подсветки и/или набора фазосдвигающих пластин различной толщины, и/или фокона, то есть расширяющего арсенал технических средств.
1
Технический результат достигается в устройстве, содержащем конденсорную линзу, объектив, выполненный с включением в его состав аксикона, а также рентгеновский детектор, при этом объектив расположен в фокусе конденсорной линзы, место установки исследуемого образца расположено за конденсорной линзой на расстоянии L перед объективом, превышающем фокусное расстояние F объектива, рентгеновский детектор при этом расположен за объективом на расстоянии
Предпочтительно выполнение конденсорной линзы в виде преломляющей линзы.
В одном из вариантов конденсорная линза выполнена в виде составной из нескольких одиночных двумерных или одномерных цилиндрических линз.
Предпочтительно выполнение объектива содержащим составную преломляющую линзу, выполненную из одной или нескольких одиночных двумерных или одномерных цилиндрических линз.
Предпочтительно выполнение аксикона объектива в форме осесимметричной полости или нескольких осесимметричных полостей, выполненных в пластине рентгенопрозрачного материала.
Предпочтительно выполнение аксикона из рентгенопрозрачных материалов, например, из бериллия Be, или алюминия Al, или кремния Si, или никеля Ni, или углерода C (например, алмаза), или из полимеров, таких как SU8, PMMA,ORMOCOMP.
Предпочтительно выполнение преломляющей поверхности аксикона (полости) в форме конуса с углом α в его вершине.
В одном из вариантов  преломляющая поверхность аксикона (полость) выполнена в форме параболического конуса, описываемую выражением в цилиндрической системе координат:
где ось z направлена вдоль оптической оси, r радиальная координата, R радиус кривизны параболической составляющей аксикона, а α угол в вершине его конусной составляющей.
В составе объектива аксикон может быть расположен, как перед составной преломляющей линзой, так и после нее.
В одном из вариантов исполнения устройства аксикон в объективе расположен между отдельными линзами составной преломляющей линзы.
В одном из вариантов исполнения устройства аксикон в объективе выполнен составным из нескольких аксиконов.
В одном из вариантов исполнения устройства объектив может быть выполнен только из аксиконов, в случае использования в нем, по крайней мере одного параболического аксикона.
1
Предпочтительно выбирать расстояние L не более 2F для получения увеличенных изображений исследуемого образца.
Предпочтительно размещение образца как можно ближе к конденсорной линзе для его эффективного освещения.
0
2
Предпочтительно параметры конденсорной линзы и объектива выбирать так, чтобы суммарное расстояние L +Lне превышало продольный размер устройства.
Предпочтительно использовать конический аксикон с одной преломляющей поверхностью и с углом при вершине, определяемым параметром D равным:
который в несколько раз должен превышать пространственное разрешение детектора, δ декремент показателя преломления материала, из которого изготовлены оптические элементы, входящие в состав объектива.
Предпочтительно использовать рентгеновский детектор с как можно меньшим размером пикселя.
2
Проходя через объектив, рассеянный на образце пучок испытывает фазовый сдвиг своего волнового фронта, имеющий линейный характер в радиальном направлении, обусловленный конической формой преломляющей поверхности аксикона, входящего в состав объектива. Таким образом, фазовый сдвиг волнового фронта плавно изменяется от центра пучка к его краям, при этом максимальный сдвиг может достигать нескольких периодов, в зависимости от параметров используемого аксикона. На расстоянии Lопорный пучок и пучок, рассеянный на образце и сдвинутый по фазе, интерферируют, формируя фазово-контрастное изображение внутренней структуры образца.
В полезной модели аксикон обеспечивает плавный фазовый сдвиг волны, рассеянной изучаемым образцом, что всегда приводит к созданию условий конструктивной интерференции опорного и рассеянного пучка, формирующей контраст получаемого изображения. Кроме того, аксикон может работать в широком диапазоне энергий от 10 до 200 кэВ.
На фиг.1 приведена оптическая схема рентгеновского фазово-контрастного микроскопа с использованием объектива содержащего аксикон. 1 – конденсорная линза, 2 – изучаемый  объект, объектив из составной преломляющей линзы 3 и аксикона 4, 5 – рентгеновский детектор.
Полезная модель реализуется в следующем устройстве.
1
Рентгеновский фазово-контрастный микроскоп содержит конденсорную линзу 1, позиционирующее устройство для закрепления образца 2, объектив, выполненный  из составной преломляющей линзы 3 и аксикона 4, и рентгеновский детектор 5, при этом объектив расположен в фокусе конденсорной линзы, исследуемый образец расположен за конденсорной линзой 1 на расстоянии L перед составной преломляющей линзой 3, превышающем фокусное расстояние F объектива, рентгеновский детектор 5 при этом расположен за объективом на расстоянии
В рентгеновском фазово-контрастном микроскопе с использованием объектива на основе комбинации составной преломляющей линзы и аксикона реализуется возможность получения контрастных изображений внутренней структуры объектов, в том числе и фазовых. Контраст получаемых изображений обусловлен не только поглощением присущим традиционной схеме микроскопии, но и дополнительным механизмом формирования контраста, основанным на эффекте интерференции рентгеновского пучка рассеянного на структуре образца, и опорного пучка прошедшего через объект без искажения.
Устройство работает следующим образом:
0
1
2
Конденсорная линза (1) фокусирует лучи генерируемые источником рентгеновского излучения в центре объектива (3-4) расположенного на расстоянии L от нее, формируя опорный пучок, проходящий через объектив без искажений. При этом часть пучка рассеивается, проходя через изучаемый образец (2) расположенный на расстоянии L от объектива. Проходя через объектив, рассеянный на образце пучок испытывает фазовый сдвиг его волнового фронта, имеющий линейный характер в радиальном направлении, обусловленный конической формой преломляющей поверхности аксикона, входящего в состав объектива. Таким образом, фазовый сдвиг волнового фронта плавно изменяется от центра пучка к его краям, при этом максимальный сдвиг может достигать нескольких периодов, в зависимости от параметров используемого аксикона. На расстоянии L опорный пучок и пучок, рассеянный на образце и сдвинутый по фазе, интерферируют, формируя фазово-контрастное изображение внутренней структуры образца.
Таким образом, в устройстве реализуется заявленный технический результат в виде создания рентгеновского фазово-контрастного микроскопа с широким диапазоном энергий, не требующего использования специальной кольцевой подсветки и/или набора фазосдвигающих пластин различной толщины, и/или фокона, то есть расширяющего арсенал технических средств.