Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние рентгеновской микроскопии. литературный обзор 9
1.1. Диапазоны рентгеновского излучения 9
1.2. Детекторы рентгеновского излучения 10
1.3. Используемые рентгенооптические схемы 14
1.3.1. Контактная микроскопия 14
1.3.2. Проекционная микроскопия. 15
1.3.3. Зонная пластинка Френеля 15
1.3.4. Микроскоп с Шварцшильдовским объективом 16
1.3.5. Сканирующая микроскопия 17
1.3.6. Микроскопия с использованием преломляющей оптики. 17
1.3.7. Микроскопия при помощи асимметричных кристаллов. 19
Выводы главы 1 21
Глава 2 Получение увеличенных изображений на лабораторных рентгеновских источниках 22
2.1. Получение увеличенных изображений при помощи асимметричного кристалла.[69] 22
2.1.1 Численные оценки пространственного разрешения при асимметричной дифракции. 24
2.1.2. Проведенные эксперименты. 32
2.2. Получение изображений при помощи многоэлементной преломляющей линзы 37
2.2.1. Эксперименты по изображению одномерных объектов (щелеи)[73] 40
2.2.2. Эксперименты по изображению более сложных объектов... 50
2.2.3. Эксперименты с использованием ПЗС-матрицы 58
2.2.4. Глубина резкости. 60
Выводы главы 2 62
Глава 3 Рентгеновская томография биологических объектов с субмиллиметровым разрешением 63
3.1. Компьютерная томография 63
3.2. Существующие в мире приборы 65
3.3. Рентгеновский томограф на базе дифрактометра дрш 72
3.3.1. Система управления дифрактометром 76
3.3.2. Датчики угловых перемещений. 77
3.3.3. Измерительный комплекс на базе линейного позиционного рентгеновского детектора. 78
3.3.4.Управление комплексом «гониометр - линейный детектор» 81
3.4. Эксперименты по томографии 85
3.4.1. Анализ точности реконструкции и чувствительности прибора. 89
3.4.2. Медико-биологическое применение томографа. 93
3.5. Лабораторный микротомограф с использованием пзс-матрицы 108
3.6. Создание лабораторного микротомографа с использованием преломляющей оптики 118
Выводы главы 3 122
Выводы диссертации 124
Благодарности 126
Публикации по материалам диссертации 127
Литература 131
- Микроскопия при помощи асимметричных кристаллов.
- Получение изображений при помощи многоэлементной преломляющей линзы
- Измерительный комплекс на базе линейного позиционного рентгеновского детектора.
- Создание лабораторного микротомографа с использованием преломляющей оптики
Введение к работе
Прогресс в таких областях научного знания как нанотехнологии, полимерные технологии, микробиология, а также медицинская диагностика, связан с методами неразрушающего исследования вігутренней структуры объектов со все более высоким разрешением. Наиболее удобным, а в некоторых случаях и единственным подходом для таких исследований остается использование рентгеновского излучения.
В связи с этим значительное количество научных групп во всем мире занимается развитием методов рентгеновской интроскопии [1]-[14]. Большинство из них работает на синхротронных источниках [1]-[10], что обусловлено высокой яркостью таких источников, малой угловой расходимостью излучения, перестраиваемо стью по энергиям. Однако синхротронные источники имеют свои недостатки - высокая стоимость и малая доступность, ограниченность времени проведения конкретного исследования.
Кроме синхротронных используются также различные плазменные источники (лазерные, пинчевые) [10], [11], [14], [15]. Проводятся и эксперименты с традиционными рентгеновскими трубками [12,13].
Одной из главных задач и по сей день остается создание рентгеновских микроскопов, имеющих разрешение выше, нежели в оптическом диапазоне, но в отличие от электронных, не требующих предварительной обработки образцов. Кроме того, рентгено-микроскопические методы исследования, в отличие от электронно-микроскопических, позволяют исследовать влажные
5 образцы и в ряде случаев не вызывает значительного повреждения их структуры.
Второй большой задачей, для которой используются методы рентгеновской интроскопии, является исследование массивных и непрозрачных в видимом диапазоне объектов.
Однако получение только лишь двумерных отображений внутренней структуры объектов уже не удовлетворяет исследователей. Во многих случаях требуется получить трехмерную модель объекта, описывающую распределение плотности (или рентгенооптической плотности) вігутри исследуемого образца. Это возможно, если воспользоваться техникой компьютерной томографии [16]. Этот метод в различных вариациях широко используется в настоящее время в большом числе рентгеновских исследований [17]-[27] в том числе и в данной работе. При этом энергия используемого рентгеновского излучения определяет круг решаемых задач.
Большинство рештеномикроскопических исследований выполняется в так называемом «водяном окне» - диапазоне длин волн 2,2-4,4 нм между ^-краями поглощения углерода и кислорода. При этом поглощение в воде на порядок меньше поглощения в биологических (углеродосодержащих) тканях, что и обеспечивает высокий контраст. В диапазоне «водяного окна» достигнуты наибольшие успехи по получению высокого разрешения [26] (в настоящее время лучшие зонные пластинки позволяют получать изображение с разрешением лучше 30 нм). Однако, в этом диапазоне глубина проникновения излучения в вещество (например, биологические ткани) не превышает двух десятков микрон, что позволяет исследовать только очень тонкие - специально приготовленные объекты [26]. Кроме того, малая глубина проникновения существенно затрудняет проведение томографических исследований. (Поскольку поперечные размеры объекта часто много больше его толщины, возможно получение теневых проекций только в ограниченном интервале углов). Это усложняет процедуру реконструкции и снижает ее точность [26].
В медицинских, геологических исследованиях, а также в промышленной дефектоскопии [19] используется весьма жесткий (короче 0,05 нм) диапазон излучения. Отметим, что для таких длин волн рентгенооптические элементы не находят широкого . применения, а также значительно уменьшается эффективность детекторов. В рентгеновской микроскопии использование такого излучения, по нашему мнению, нецелесообразно вследствие весьма малого, и близкого для различных мягких биологических тканей поглощения излучения и, следовательно, слабого контраста.
Таким образом, по нашему мнению, для проведения исследования структуры углеродосодержащих объектов с линейными размерами от 0,01-100 мм, методами рентгеновской микроскопии и микротомографии разумно применять более жесткое, чем соответствующее области водяного окна, рентгеновское излучение. Его длина волны, однако, должна быть больше, чем , например, при дефектоскопии металлов. Этим условиям соответствует излучение в диапазоне 0,25-0,05 нм, обычно применяемое в рентгеноструктурных исследованиях. Микроскопические исследования в таком диапазоне также ведутся в ряде мировых лабораторий [28]-[32]. Рентгеновское излучение в этом диапазоне возможно получать при помощи
7 простого и достаточно дешевого источника - рентгеновской трубки.
Интервал 0,25-0,05 нм удобен также тем, что выбор различных длин волн (путем смены анода трубки) позволяет получать различную глубину проникновения излучения в вещество (от десятков микрон до десятков миллиметров), и, соответственно, варьировать контраст изображения. Поэтому именно в этом диапазоне и были проведены все исследования, представленные в данной работе.
Большинство существующих лабораторных рентгеновских томографов обеспечивают разрешение на уровне 5-Ю мкм. Это недостаточно для некоторых практических применений. По нашему мнению, наиболее перспективным и весьма актуальным является создание прибора, имеющего разрешение порядка 1-2 мкм и поле зрения 1-2 мм. В представляемой работе проводится теоретическое и экспериментальное обоснование возможности создания такого прибора.
Выполнены исследования изображающих свойств реитгенооптических элементов наиболее перспективных для достижения этой цели. Как нам представляется такими элементами являются преломляющая многоэлементная рентгеновская линза и асимметричный кристалл-монохроматор. С применением этих элементов на лабораторных рентгеновских источниках выполнены эксперименты и получены увеличенные изображения тест-объектов. Методом численного моделирования проведены теоретические расчеты достижимого разрешения и поля зрения.
Автором предложена и осуществлена модификация дифрактометра ДРШ, разработанного в СКБ Института кристаллографии РАН [33] для проведения томографических измерений. Разработана методика таких
8 измерений. Выполнены эксперименты по определению разрешения, а также чувствительности и точности микротомографа созданного на базе дифрактометра ДРШ. Выполнена реконструкция пространственной структуры ряда биологических объектов.
Сконструирован микротомограф на базе дифрактометра Лмур-1. Дифрактометр дооснащен двумерным координатным детектором с размером чувствительного элемента -10x10 мкм и числом элементов 1152x1024. Это позволило получить трехмерные реконструкции трубчатых костей рептилий с разрешением порядка 10 мкм.
На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований спроектирован и изготовлен макетный образец лабораторного микротомографа, используя который возможно получить разрешение порядка 1-2 мкм при поле зрения около 1 мм.
Микроскопия при помощи асимметричных кристаллов.
Идею использовать для получения изображений дифракцию на асимметрично срезанном кристалле предложил в 1982 году Bottinger [65] с использованием синхротронного излучения. Им была показана возможность получить таким способом 20-70 -кратное увеличение. Подобные эксперименты (снова с использованием синхротронного излучения) проводились на ускорителе Spring-8 в 1999 году [66]. Тогда, однако, было получено лишь 5- кратное увеличение. Данный метод получения увеличенных изображений актуален и по сей день, это показывает теоретическая работа д-ра Спола [67] (Spal), посвященная получению субмикронного разрешения при использовании асимметричной дифракции, а также экспериментальная работа [68], в которой на синхротроне Swiss Light Source получено увеличение равное 100. Экспериментально полученное разрешение в статье не указано, а приводится только его оценка, 0,14 мкм исходя из разрешения детектора, 14 мкм и коэффициента увеличения -100, По нашему мнению, такая оценка не верна, что будет показано ниже в разделе 2.1.1. Итак, рассмотрев практически все существующие на сегодняшний день рентгенооптические элементы, мы можем заключить, что наиболее простыми способами получения увеличенных изображений объектов в интервале длин волн 0,05-0,3 нм является использование для этой цели асимметрично отражающих кристаллов и многоэлементных преломляющих линз. Для получения изображений с помощью лабораторного рентгеновского источника применялись два метода.
Первый — при помощи асимметричного кристалла-монохроматора и второй - посредством многоэлементной преломляющей линзы. Остановимся сначала на асимметричном кристалле-монохроматоре. Данный оптический элемент широко используется в оптике рентгеновских лучей для формирования пучка [70]. С его помощью можно либо уменьшить (в одном направлении) размер падающего на него пучка в несколько раз, либо расширить пучок (при выполнении для падающего пучка условия Брегга), существенно уменьшив при этом его угловую расходимость [70]. Такой монохроматор представляет собой совершенный монокристалл, поверхность которого срезана под некоторым углом \\і к отражающим плоскостям. На рис.2.1. схематично показано, как происходит расширение пучка при асимметричном отражении. метричном отражении излучения от монокристалла. Известно, что при асимметричном брэгговском отражении происходит изменение линейных размеров отраженного пучка b по сравнению с падающим а. В рамках геометрической оптики их отношение определяется выражением где а- угол падения, а р- отражения. Покажем, что оптимальный выбор параметров кристалла и длины волны падающего излучения позволяет получить микронное разрешение с использованием обычных рентгеновских трубок. Отметим одну особенность асимметричного отражения -преобразование угловых спектров падающего и отраженного излучения. В случае симметричной дифракции в диапазоне длин волн Н2А угловая ширина кривой отражения Д8С для Si составляет величшгу порядка 10". При переходе к асимметричной дифракции ширина кривой отражения увеличивается в Vb раз, при этом ширина углового спектра отраженной волны уменьшится в Vb раз (по сравнению с симметричным отражением)[71]. Пространственное разрешение будет определяться искажениями углового спектра объекта, возникающими в результате дифракционного отражения. Рассмотрим схему, использовавнную нами при оценке разрешения. Пусть есть две щели, находящиеся на расстоянии АХ. Тогда на расстояние между проекциями щелей на поверхности кристалла 2a«AX/sin(0b+0O- ), где (0Ы-0О-\;)- угол скольжения (0Ь- угол Брэгга, 00-отстройка от угла Брэгга, \/-угол среза входной грани) (см. рис. 2.2.).
Получение изображений при помощи многоэлементной преломляющей линзы
Перейдем теперь к многоэлементной преломляющей линзе. Рассмотрим сначала технологию ее изготовления [64]. Для изготовления линзы использовался стеклянный микрокапилляр, полученный методом вытяжки под действием силы тяжести. Далее такой микрокапилляр заполнялся жидким полимером (эпоксидной смолой). И в этой смоле, при помощи микроиглы, контролируя процесс при помощи оптического микроскопа, последовательно выдувался пузырек. После этого игла перемещалась, и процесс повторялся. Вследствие сильного смачивания капилляра, получающиеся пустоты имеют форму сферы с радиусом, равным радиусу капилляра, (его диаметр составлял 200-800 мкм в различных линзах). Были произведены эксперименты по построению изображения при помощи такой линзы с использованием лабораторного источника (рентгеновской трубки). Белорусский государственный университет предоставил микрокапиллярную линзу, оптимизированную для работы с излучением СгКа (А,=2.29 А). Данная линза обладает следующими параметрами: Радиус канала капилляра Химическая формула полимера Плотность полимера Коэффициент поглощения для фотонов с энергией 5.4 кЭв Показатель преломления п=1-5 Число линз Фокусное расстояние F=R/(28N) Средняя толщина перешейка d Пропускание центральной части 100 мкм -і C100H200O2N3 1.08 г/см3 20 см 5=8.3-10-6 67 9 см 10 мкм 0.26 Для проведения экспериментов использовался рентгеновский дифрактометр АМУР-1. Линза была закреплена на держателе, позволявшем осуществлять все необходимые перемещения и поворачивать линзу относительно двух взаимоперпендикулярных осей (см. рис. 2.14.). Излучение, выходящее из источника (рентгеновской трубки, фокус 0,04x8 мм), монохроматизируется пиролитическим графитом (угол расходимости в горизонтальной плоскости 1) и попадает на линзу. Не попавшеє на линзу излучение поглощается свинцовой диафрагмой, закрепленной на торце линзы.
Нами были получены изображения щелей, находившихся на двойном фокусном расстоянии от линзы. Такое расстояние от предмета до линзы, приводит к тому, что изображение также формируется на расстоянии 2f, и его увеличение равно единице. Размеры изображения на снимке, измеренные при помощи микроскопа, соответствуют действительным размерам щелей. Также (для сравнения) получены снимки освещенных пятен за пустым стеклянным капилляром, аналогичным тому, в котором сформированы линзы (внутренний диаметр 200 мкм). На изображении (рис. 2.16.) можно увидеть артефакт - тень скрепки, которой был закрыт конверт с фотопленкой. Он представляет собой резкий правый край второго пятна и более темное пятнышко третьего (очевидно излишнее потемнение вызвано полным внешним отражением). Для анализа этих (рис. 2.15.) изображений была построена компьютерная модель, позволяющая формировать одномерные изображения и анализировать ход лучей за линзой. Расчеты проводились в приближении геометрической оптики методом трассировки лучей. (Такое рассмотрение корректно, так как длина волны использовавшегося излучения намного меньше характерных размеров линзы.)
В рамках данной модели рассматривались только лучи, лежащие в плоскости, проходящей через оптическую ось линзы. Рассмотрим одну сферическую полость радиуса R в среде с показателем преломления п1 1. Выберем некую плоскость, проходящую через центр этой полости, и будем рассматривать только лучи, лежащие этой плоскости. Сечение полости этой плоскостью будет являться окружностью радиуса R. Будем отсчитывать углы от главной оптической оси всей системы сферических полостей. Луч в плоскости можно задать двумя параметрами: углом 0in и расстоянием по оси Tjn при пересечении лучом прямой, касательной к окружности и перпендикулярной оси отсчета углов. Легко найти связь между rl, R и d (см. рисунок 2.17.), и, выражая rl через dl, угол входа и расстояние от оси на входе, получаем систему уравнений: Решая эту систему и воспользовавшись законом преломления, получаем угол выхода луча из пузырькавой и расстояние от луча до оси в выходной плоскости rout, отстоящей от поверхности пузырька на расстояние d:
Измерительный комплекс на базе линейного позиционного рентгеновского детектора.
Данный дифрактометр автоматизирован (управляется с персонального компьютера), что позволяет задавать программу эксперимента, и оснащен датчиком, контролирующим положение образца относительно оси (р с точностью лучше 1 угловой секунды. В состав дифрактометра входит линейный позиционно-чувствителышй детектор, что позволяет создать оптическую схему томографа третьего поколения. Автор понимал, что при проведении томографических экспериментов важным фактором является их продолжительность. Возможность времени измерений ограничивается с одной стороны, параметрами детектора — допустимой скоростью счета, а с другой стороны - необходимостью получения статистически достоверной информации. По этой причине линейность счета применяемого позиционно-чувствительного детектора была нами проверена при помощи калиброванных медных фильтров. Было выбрано время измерения 30 с, что соответствует с типичному времени нашего томографического эксперимента. Эксперименты показали (см таб.№3.1.) сохранение линейности счета при изменении числа регистрируемых рентгеновских квантов от 10 тыс до 10 на канал за время экспозиции. В этих опытах регистрация в каждом канале рассматривалась как независимое измерение. Сравнение коэффициентов поглощения, полученных в каждом канале и определение среднеквадратичного отклонения таких измерений друг относительно друга показывает, что даже в наихудшем случае (когда в канал приходит порядка 10 квантов) ошибка измерения показателя поглощения не превышает 30%. Таким образом динамический диапазон чувствительности детектора составляет не менее трех порядков. Нами также было выполнено измерение пространственного разрешения детектора. С этой целью перед детектором была помещена щель
Соллера с периодом 400 мкм (ширина одной - щели 200 мкм, толщина пластины -200 мкм) и длиной 70 мм. Такая щель помещалась плотную перед детектором, и освещалась монохроматизированным излучением рентгеновской трубки (МоКа, Е=17 кэВ) с рамером фокуса 1x1 мм с расстояния 80 см. Зарегистрированное детектором распределение интенсивности приведено на рис. 3.5. Можно видеть, что пики на изображении хорошо разрешены. Таким образом, нами показано, что пространственное разрешение детектора составляет, как и заявлено производителем, величину не хуже 200 мкм. Ввиду сложности конструкции прибора, широты сферы его применения и разнородности аппаратурных и программных средств, для управления дифрактометром была выбрана многоуровневая схема. Разработчиками детектора была написана динамически подключаемая библиотека (dynamic link library - dll). Автором данной работы были модифицированы имевшиеся программы и написаны новые, реализующие (в виде dll) интерфейс к имевшимся программам управления. Такая архитектура позволяет легко изменять интерфейс пользователя, а также интегрировать программы, обеспечивающие обращение к аппаратному обеспечению с любыми другими программами. В среде LabView используя эти dll автором были созданы сетевые программы-серверы, обеспечивающие управление гониометром и детектором по протоколу TCP/IP. Далее были написаны клиенты, позволяющие осуществлять управление прибором по протоколу TCP/IP с любой (одной) машины в рамках локальной сети института. Кроме этого, при проведении экспериментов обычно запускается встроенный в LabView Web-сервер, позволяющий отслеживать ход эксперимента с других машин сети института. Проведение экспериментов на описываемом дифрактометре возможно в различных режимах.
Самым простым является ручной режим, когда экспериментатор при помощи программы управления гониометром устанавливает его части в желаемое положение и проводит съемку с использованием координатного или сцинтилляционного детектора. Таким образом, например, происходят юстировки прибора. Другой возможный режим - задание программы эксперимента в программе управления гониометром, с указанием последовательных положений гониометра и времени регистрации излучения с помощью сцинтилляционного детектора в каждой позиции. В этом случае результат эксперимента сохраняется программой управления гониометром в виде текстового файла с данными, а обмен по сети не производится. Так снимаются, например, кривые рассеяния или качания. И, наконец, последний режим - дистанционный, по компьютерной сети для согласованного управления гониометром и позиционно-чувствительным детектором. В этом случае сетевая программа (ТСРЛР-клиент) следит за выполнением программы эксперимента, в соответствии с ней осуществляет управление гониометром и счетом координатно-чувствительного детектора. Именно таким образом авторы проводили томографические исследования, описанные ниже. Приведенные выше характеристики описываемого дифрактометра позволяют использовать его для томографических исследований углеродосодержащих объектов, включая биологические. При этом размер области исследования может составлять несколько сантиметров, а разрешение (размер разрешаемой детали) на получающихся томограммах может достигать 0,15-0,20 мм (что проверено на модельных объектах - фантомах). Для первых томографических экспериментов был выбран объект, структура которого была понятна - несколько палочек от обычного бытового веника (см. рис. 3.7.). Палочки были установлены вертикально на стол дифрактометра. Для реконструкции использовался упрощенный метод обратного проецирования.
Создание лабораторного микротомографа с использованием преломляющей оптики
Для повышения разрешения до уровня единиц и долей микрона предлагается ввести в конструкцию микротомографа, описанного в предыдущем разделе, рентгенооптический элемент. Таким элементом могут являться асимметричный кристалл или рентгеновская преломляющая линза. Автором был спроектирован макет лабораторного микротомографа с использованием преломляющей линзы на базе дифрактометра Амур-1 (см. рис.3.33.) Для реализации предлагаемой схемы в СКБ ИК РАН был сконструирован и изготовлен (см. рис.3.34.) специализированный держатель линзы. Держатель рентгеновской преломляющей линзы спроектирован таким образом, что на пересечении осей вращения находится входной зрачок линзы. Данная конструкция позволяет быстро настраивать оптический элемент, т.к. при всех наклонах линзы апертура остается практически неподвижной относительно падающего излучения. Это дает возможность ввести линзу в пучок, и не перемещать ее более в процессе настройки в плоскости, нормальной оси пучка. Для уменьшения рассеяния и поглощения рентгеновского излучения оптические пути от источника до образца, от образца до линзы и от линзы до детектора вакуумируются. Это приводит к примерно в 10-кратному увеличению интенсивности полезного излучения, приходящего на детектор.
В разделе 2.2.1 теоретически показано, что разрешение изображаемой линзой детали ограничено величиной порядка 0,5 мкм. В разделе 2.2.3. приведены экспериментальные результаты по получению 13-кратного увеличения с помощью такой линзы. Учитьшая, что размер чувствительного элемента матрицы — 9 мкм, результаты, полученные в главе 2, позволяют рассчитывать на получение увеличенных рентгеновских изображений с разрешением порядка 1 мкм. Кроме того, данная линза обладает большой глубиной резко изобраїкаемого пространства (см. раздел 2.2.4.). Это и делает возможным использование ее в схемах рентгеновской томографии, поскольку при вращении объекта все его детали, попадающие в поле зрения, не выйдут за пределы глубины резкости. Наличие в конструкции прибора автоматизированного гониометра (см. раздел 3.5.), на котором закреплен образец, делает возможным получение серий изображений одного объекта с различных ракурсов. Адекватная задаче методика реконструкции трехмерного распределения поглощающей плотности используя двумерные теневые проекции описана в разделе 3.5. Отметим, что линза формирует действительное и увеличенное изображение объекта; по этой причине разрешение определяется именно свойствами рентгенооптического элемента, а не размерами источника. Полученные в главах 2 и 3 результаты обосновывают возможность рентгеновской томографии объектов с разрешением на уровне 1 мкм в диапазоне длин волн 0,05-0,25 им. 1. Разработана методика рентгеновских томографических исследований для автоматизированных лабораторных дифрактометров с позиционно-чувствительным детектором. Эта методика испытана на рентгеновском дифрактометре ДРШ, изготовленном в ИК РАН, на длинах волн 0,15 и 0,07 им. В экспериментах использовался линейный позиционно-чувствительный детектор с линией задержки, что обеспечивало разрешение не хуже 200 мкм при общей длине окна детектора 100 мм. 2. Методами рентгеновской томографии исследована пространственная структура двух биообъектов разной природы. Восстановлено вігутреннее строение амфибии Salamandrella keyserlingii. Получены реконструкции эпифизов в норме, при поражении болезнью Альцгеймера и при шизофрении. Впервые обнаружен факт значительного уменьшения содержания солей кальция и отсутствие связности областей кальцификации при наличии патологий. При исследовании структуры этих объектов было достигнуто разрешение не ниже 0,2 мм, что превосходит разрешение современных медицинских томографов.
