专利名称：X射线光电子全息图的记录装置的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种记录X射线光电子全息图的装置，特别是涉及一种光阴极光电子放大的全息图的记录。
背景技术：
近年来，由于同步辐射源快速发展以及高亮度X射线激光的问世，大大促进了X射线全息术的发展。在先技术中，记录X射线全息图的装置有两种1.盖柏同轴X射线全息记录装置(参见在先技术[1]J.Opt.Soc.Am.(A)，1990，7(10)1847-1861)。图1为盖柏同轴X射线全息图记录装置结构示意图。多色同步辐射X射线源1经会聚波带片2和针孔光栏3组成的单色仪滤波后，得到准单色的X射线，其中一部分用来提供对待测样品4照明的作为物束，未经待测样品4扰动的另一部分用来作参考束。物束与参考束在同一轴线上故称为同轴X射线全息。用光刻胶聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)5作为记录介质记录全息图，然后用高分辨率的透射电子显微镜或原子力显微镜对全息图进行读出放大，再用微密度计进行数字化输入到计算机进行数字重构。这种记录方式获得的最好的结果，分辨率达到40nm(参见在先技术[2]M.Hwells，C.Jacobsen，et al.，Science，238，1987，514)。
2.无透镜傅立叶变换X射线全息记录装置。(参见在先技术[3]Science，1992，2561009-1012)。由X射线源1出射相干X射线束，经会聚波带片2后，其零级波用来照明待测样品4，其一级衍射波聚焦产生参考点源，待测样品4与参考点源在同一平面上。在此平面上放置一针孔光阑3，起分割滤波作用。物光与参考光在光阑后面一定距离后的区域内相遇交叠产生干涉条纹，被涂有X射线荧光粉的电荷耦合器(CCD)7记录。记录的数据经A/D转换后直接输入计算机进行数字重现。在CCD前放置一光阑6，阻止零级光直接辐照到CCD7上。
上述两种全息记录装置主要存在的缺点是1.盖柏同轴X射线全息记录装置，虽然采用的光路简单，不需光学元件，也无需精细调整光路。但它对记录介质的分辨率要求很高。因为要获得较高的全息成像分辨率，则记录介质需要记录十分精细的高级次干涉条纹。而若提高光刻胶的分辨率则它的灵敏度会下降，这就需要增加曝光量。而曝光时间的增加极易导致记录介质被电子束损伤。此外，由于记录在光刻胶上的全息干涉条纹的间距太小，需经高分辨率的后续设备如透射电子显微镜或原子力显微镜的读出放大，转录于胶片上，再用微密度计将胶片上的图像进行数字化转换为数据文件，才能输入到计算机进行数字重现，这样全息图经过多次加工、放大、洗印、数字化处理等过程，引入了很大的噪声，降低了信噪比和成像质量。因此盖柏同轴X射线全息装置难以获得近衍射极限高分辨率。
2.上述第二种装置所用的无透镜傅立叶变换X射线全息显微镜，虽然对记录介质的分辨率要求较低，但却对产生参考点源的菲涅耳波带片要求很高。因为菲涅耳波带片外围环带的空间频率将决定X射线无透镜傅立叶变换全息图的分辨率。而高分辨率的菲涅耳波带片的制作同样面临着高分辨率的记录介质的问题。所以这种全息显微镜的制作同样难以实现。
发明内容
本发明针对上述在先技术中所存在的缺点，提出一种新的记录装置，即X射线光电子放大全息图的记录装置。是将X射线全息图，通过一个X射线光阴极将其转化为光电子全息图，再利用电子显微镜的加速放大部分对光阴极的相干光电子进行放大，然后用CCD接收，记录下放大的电子全息干涉图，再输入计算机进行重构，便获得物体的显微放大像。
本发明的X射线光电子全息图记录装置如图3所示。
在真空腔13里置有X射线源1，在距X射线源1的10000mm(10米)处置有一波带片2，在波带片2的一级衍射焦点O处，放一针孔光栏3，在距针孔光栏3为700mm处放一光阴极8，在针孔光栏3和光阴极8之间，距光阴极8为50微米到1毫米处置放待测样品4，在光阴极8和接收器11之间，从光阴极8开始依次置有加速阳极9和放大电磁透镜10，接收器11的输出与计算机12相连。
所说的波带片2是用来对多色X射线进行色散，它和针孔光栏3组成一个单色仪，从针孔光栏3出射的X射线成为一准单色X射线，入射到待测样品4上。特别要指出的是待测样品4到光阴极的距离是一个非常重要的参数，它直接影响到成像分辨率和对电子束源相干性的要求，可用以下公式表示λ2Δλ=0.186λzr02]]>式中λ为X射线波长，Δλ为X射线的线宽，r0为待测样品4中所能分辨的最小尺寸称为物元的半径，Z为待测样品4到光阴极9的距离。一般可取50微米到1毫米。
所说的光阴极8，是将照射在它上面的X射线转换为光电子，光阴极8的材料通常有三类(1)金属类，主要有金、铜、镁、钽等，其特性是阈值功率高，量子效率低，由于大部分入射光能转换成热能，对高重复率运转的光阴极需要冷却；优点是容易制备，使用寿命长，对真空度要求低，一般为10-5～10-8。(2)金属化合物及合金，典型的有LaB6，有较高的量子效率，对紫外波段有较高的灵敏度，对真空度要求也低。(3)半导体光阴极。主要是多碱锑化物材料。如Cs3Sb，CsK2Sb，和GaAs等。半导体光阴极的量子效率最高，可达2～8％；阈值功较低，可以获得较高的电流密度。唯一的缺点是寿命短，只有几十个小时。(参见文献陈建文、欧阳斌、王之江，强激光技术进展，1992年，第3辑，1-5)。
实际使用中必须根据X射线光子的波长、所需光阴极的阈值功及量子效率等各方面的综合性能从三类材料中作出选择。本发明中选择使用寿命长的金属作光阴极。
本发明的X射线全息图记录装置从X射线源1发出的X射线，经波带片2色散衍射聚焦和针孔光栏3滤波，成为一准单色X射线，入射到待测样品4上，待测样品4中对X射线不透明和半透明部分的散射的准单色X射线作为物束；另一部分经待测样品4中透明部分的准单色X射线为参考束；物束与参考束重叠干涉，形成一个盖柏同轴X射线全息的干涉场。这一干涉场作用到光阴极9上时，便产生相应的光电子干涉场。由光阴极进行光电子转换后，携带了待测样品4信息的光电子，再经过加速阳极9加速和电磁透镜10放大成像在接收器11的接收面上。本发明中接收器11采用电荷耦合器(CCD)。接收器11的输出输入到计算机12内进行数据处理，再现图像。放大电磁透镜10的放大倍数取决于电子显微镜的放大倍数，可以从几千倍到100万倍。这样就大大降低了对接收器11的CCD分辨率的要求。
本发明与在先技术相比的主要优点是1、由于采用光阴极8代替了在先技术[1]中盖柏同轴全息装置中的PMMA记录介质，系统成像的分辨率大大提高，可以达到0.5nm左右；2、本发明中采用放大电磁透镜10直接放大，避免了在先技术[1]盖柏同轴全息装置中对全息图的多次加工、放大、洗印的处理过程，操作更方便，引入的人为噪声更小；3、CCD探测到的信号输出到计算机进行数字重现时，可对再现结果进行处理，消除同轴全息中的“孪生像”干扰噪声。可实现对待测样品的“实时观测”。
图1为在先技术[1]中盖柏同轴X射线全息装置的结构光路示意图。
图2为在先技术[2]中无透镜傅立叶变换X射线全息装置的结构光路示意图。
图3为本发明的X射线光电子全息图的记录装置结构示意图。
具体实施例方式如上述本发明的X射线光电子全息图记录装置图3所示的结构。
从作为X射线源1的同步辐射源发出的X射线通过波带片2的色散和针孔光阑3滤波。根据波带片2的焦距与波长成反比的性质，可将不同波长的X射线色散，再用针孔光阑3进行滤波并减小光源线度，调整针孔光栏3的大小，可获得所需的空间相干的准单色X射线束。波带片2的中心波长为2.3nm，最外环宽度0.465μm，环数N＝1506，波带片2的半径ρ＝1.4mm，一级焦距为566mm。波带片2与X射线源1的距离选为10m，针孔光阑3的孔径d＝8μm，则线宽Δλ＝λd/ρ＝0.013nm，单色性为λ/Δλ＝103，时间相干长度为Lc＝λ2/Δλ＝0.407μm。待测样品4距离针孔光阑3为R＝700mm，则该处的相干范围为b＝Rλ/d＝201μm。由此可见，经过单色化后的X射线具有一定的相干性，适合进行全息成像。
准单色X射线束照射待测样品4以后，形成一个盖柏同轴X射线全息干涉场。这一干涉的X射线场辐照在光阴极8上，产生光电子全息干涉场。光阴极9是由金属钽构成。待测样品4是小白鼠的癌细胞切片。待测样品4距光阴极8的距离Z为500微米。由光阴极8射出的光电子含有待测样品4的结构信息，被加速阳极9加速和放大电磁透镜10进行放大成像，于是在CCD的接收器11上形成一个含有待测样品4结构信息的光电子全息干涉图。
由于干涉条纹间距可以通过放大电磁透镜10进行放大，因此大大降低了对接收器11分辨率的要求。采用CCD的接收器11记录并经A/D转换，可直接在计算机13上进行数字重现。获得待测样品4的结构图像。
本发明的光阴极光电子放大X射线全息装置，可以实现实时快速地观测自然状态下的生物样品的三维超微细结构，分辨率可达衍射极限，应用到现代医疗诊断和生物活性细胞的观察研究中，具有准确性、真实性和及时性。
权利要求
1.一种X射线光电子全息图的记录装置，包括置放在真空腔(13)内的X射线源(1)，在真空腔(13)内距X射线源(1)10米处置有波带片(2)，在波带片(2)的一级衍射焦点(O)处，置有一针孔光阑(3)，有输出连接到真空腔(13)外的计算机(12)上，其特征在于在真空腔(13)内距针孔光栏(3)700mm处置有光阴极(8)；待测样品(4)置放在针孔光栏(3)与光阴极(8)之间距光阴极(8)50微米到1毫米处；在光阴极(8)与接收器(11)之间置有放大电磁透镜(10)。
全文摘要
一种X射线光电子全息图的记录装置,包括在真空腔内,X射线源发射的X射线经波带片衍射聚焦,针孔光阑滤波,穿过待测样品的准单色X射线被待测样品中不透明和半透明部分散射的为物束与穿过待测样品中透明部分的参考束重叠干涉。通过光电阴极将X射线全息转换为光电子干涉场,经过加速阳极的加速和放大电磁透镜放大成像在输出连接到计算机上的接收器的接收面上。信息进入计算机内进行数据处理和图象再现。具有较高的分辨率,分辨率达到0.5nm。操作方便,可以实时快速地观测自然状态下的生物样品的三维超微结构。
文档编号G01N23/223GK1381718SQ02111730
公开日2002年11月27日 申请日期2002年5月17日 优先权日2002年5月17日
发明者高鸿奕, 陈建文, 谢红兰, 徐至展 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所