Un microscop cu raze X este un dispozitiv pentru examinarea obiectelor foarte mici, ale căror dimensiuni sunt comparabile cu lungimea unei unde de raze X. Bazat pe utilizarea radiației cu raze X cu o lungime de undă de 0,01 până la 10 nanometri. În partea cu lungime de undă lungă a intervalului, secțiunea de lungime de undă 2,3 - 4,4 nm, corespunzătoare așa-numitului. „ Fereastra de transparență a apei ”, în care se efectuează studii de probe biologice. În partea cu lungime de undă scurtă a gamei, microscoapele cu raze X sunt folosite pentru a studia structura diferitelor materiale structurale care conțin elemente cu un număr atomic mare.
Microscoapele cu raze X din punct de vedere al rezoluției sunt între microscoapele electronice și cele optice. Rezoluția teoretică a unui microscop cu raze X ajunge la 2-20 nanometri , ceea ce este cu un ordin de mărime mai mare decât rezoluția unui microscop optic (până la 150 nanometri ). În prezent, există microscoape cu raze X cu o rezoluție de aproximativ 5 nanometri [1] .
Dezvoltarea microscoapelor cu raze X este asociată cu o serie de dificultăți grave. Razele X sunt aproape imposibil de focalizat cu lentilele convenționale. Faptul este că indicele de refracție al razelor X în diferite medii transparente pentru ele este aproximativ același și diferă foarte puțin de unitate. Fluctuațiile sunt de ordinul 10 −4 -10 −5 . Prin comparație, indicele de refracție al luminii vizibile în apă la 20°C este de aproximativ 1,33. De asemenea, razele X nu sunt deviate de câmpurile electrice și magnetice, ceea ce face imposibilă utilizarea lentilelor electrice sau magnetice pentru focalizare. Cu toate acestea, în optica modernă cu raze X, lentilele au apărut recent și și-au găsit deja o largă aplicație, acționând pe baza efectului refracției (pe baza diferenței indicilor de refracție din materia condensată față de aer). Funcția unei lentile este îndeplinită de o cavitate lenticulară din interiorul materialului, numită lentilă Snigirev [2] .
Razele X nu sunt percepute direct de ochiul uman. Prin urmare, pentru a observa și înregistra rezultatele, este necesar să se utilizeze mijloace tehnice (echipamente fotografice sau convertoare electron-optice ).
Primul microscop comercial cu raze X a fost creat în anii 1950 de inginerul american Sterling Newbury , angajat al General Electric . Era un microscop de proiecție, în el se foloseau plăci fotografice pentru a obține o imagine.
Există două tipuri de microscoape cu raze X - de reflexie și de proiecție. Microscoapele reflectorizante folosesc fenomenul de refracție a razelor X în timpul incidenței pășunatului. Microscoapele de proiecție folosesc puterea mare de penetrare a razelor X. În ele, obiectul studiat este plasat în fața unei surse de radiații și iluminat de raze X. Datorită faptului că coeficientul de absorbție al razelor X depinde de mărimea atomilor prin care trec, această metodă face posibilă obținerea de informații nu numai despre structură, ci și despre compoziția chimică a obiectului studiat.
Microscoapele cu raze X de proiecție sunt o cameră cu o sursă de radiații și un dispozitiv de înregistrare la capete opuse. Pentru a obține o imagine clară, este necesar ca deschiderea unghiulară a sursei să fie cât mai mică.
Mărirea (M) în metoda microscopiei de proiecție cu raze X este determinată de raportul dintre distanța de la sursa de raze X la detector (b) și distanța de la sursă la obiect (a):
M = b/aPână de curând, dispozitivele optice suplimentare nu au fost folosite la microscoape de acest tip. Principala modalitate de a obține mărirea maximă este plasarea obiectului cât mai aproape de sursa de raze X. Pentru a face acest lucru, focarul tubului este situat direct pe fereastra tubului cu raze X sau pe partea superioară a acului anodului plasat lângă fereastra tubului. Recent, au fost dezvoltate microscoape care folosesc plăci de zonă Fresnel pentru a focaliza imaginea. Aceste microscoape au o rezoluție de până la 30 de nanometri.
În microscoapele de acest tip, sunt utilizate tehnici pentru a obține o mărire maximă, datorită cărora rezoluția liniară a microscoapelor cu raze X de proiecție ajunge la 0,1-0,5 microni . Ei folosesc un sistem de oglinzi ca lentile. Imaginile create de microscoapele cu raze X reflectorizante, chiar și cu profilul exact al oglinzilor lor, sunt distorsionate de diverse aberații ale sistemelor optice : astigmatism , comă .
Cristalele unice curbate sunt, de asemenea, folosite pentru a focaliza razele X. Dar, în același timp, calitatea imaginii este afectată de imperfecțiunile structurale ale monocristalelor, precum și de valoarea finită a unghiurilor de difracție Bragg . Anterior, microscoapele cu raze X reflectorizante nu erau utilizate pe scară largă din cauza dificultăților tehnice ale fabricării și funcționării lor.
În 2019, oamenii de știință ruși de la Universitatea de Stat din Tomsk (TSU), împreună cu colegii lor germani de la Centrul German de Cercetare pentru Fizica Particulelor DESY, au raportat finalizarea dezvoltării și testării unui microscop cu raze X reflectorizante fundamental - așa- numit. „Microscop Compton” (numit după laureatul Nobel Arthur Compton ), al cărui principiu de funcționare se bazează pe fixarea radiațiilor de raze X împrăștiate de obiectul studiat [3] . Cu ajutorul unei noi metode de microscopie cu raze X, devine posibilă studierea nedistructivă a structurilor celulare subțiri care anterior erau inaccesibile chiar și la microscopia electronică, inclusiv microexaminarea structurilor intracelulare și membranare ale celulelor vii nepregătite în procesul de functionarea lor. Echipa ruso-germană de oameni de știință a reușit să obțină un contrast de imagine neatins anterior la microscoapele cu raze X de tip proiecție, datorită utilizării unor senzori domestici de crom-galiu fabricați la Tomsk [4] (acești senzori ruși de crom-galiu sunt cei care sunt folosite la Large Hadron Collider CERN din Elveţia, deoarece .sunt cu un ordin de mărime mai precise decât cele de siliciu importate). [3] [4]
Microscoapele de proiecție au fost utilizate pe scară largă în diverse domenii ale științei, inclusiv medicină , mineralogie , metalurgie .
Folosind un microscop de proiecție cu raze X, puteți:
Un avantaj important al microscoapelor cu raze X este că pot fi folosite pentru a observa celulele vii nepregătite. [5]