1.简介

在X射线区域，相位对比度远高于吸收对比度，特别是对于由轻元素组成的样品，如生物样品。相控成像提供了对X射线几乎透明的样品的观察方法。在几个keV以上的X射线区域，相敏成像，如相控层析成像（Momose等。, 1996)，具有部分相干X射线源的投影方法（Snigirev等。, 1995; 威尔金斯等。, 1996)和相干照明的散焦方法（Snigirev等。, 1997)，已开发。

在光学相位控制显微镜中，通过样品的透射光线的相移通过相位板转换为振幅变化（Bennett等。, 1951). 这种所谓的Zernike型相控显微镜系统也适用于高分辨率的X射线成像。Schmahl和他的合作者开发了类似的带波带板和相位板的相控软X射线显微镜等。, 1995). 我们开发了一种相位控制X射线显微镜，该显微镜具有Wolter反射镜和位于反射镜后焦平面的相位板（渡边等。, 2000). 然而，由于反射镜的形状误差，只能获得一维相位控制图像。

波带片是一种线密度径向增加的圆形衍射光栅。目前，波带片的分辨率远高于Wolter镜。使用波带片，已经报道了几个具有亚微米空间分辨率的X射线全场显微镜（Kaulich等。, 1999; 莱滕贝格尔等。, 2000; 鹿儿岛等。, 2000).

在本实验中，用波带片代替镜子作为物镜，以获得更高分辨率的相控图像。

2.光学系统

物镜波带板由NTT Advanced Technology（铃木）制造等。, 2001). 波带板的规格如下：直径100µm；最外层宽度0.25µm；分区数，100；图案材料Ta；图案厚度，1µm；基底，氮化硅2.4µm厚；Au中央挡块，直径50µm，厚度2.3µm；焦距为180 mm，9 keV。9keV下的一级衍射效率约为18%。

图1显示了相位控制显微镜的光学系统示意图。该显微镜是在日本光子工厂BL3C2制造的。储存环能量为2.5GeV，最大环电流约为400mA。用Si（111）双晶单色仪对弯曲磁铁源发出的白光进行单色处理。选择的X射线能量为8.97 keV，略低于铜吸收边缘。通过样品前面的针孔将光束尺寸限制为100µm直径。平行的单色X射线照射在标本上。X射线图像通过波带板聚焦到探测器上。放大倍数为10。波带板被设置在远离光轴的位置，以防止负一阶和零阶X射线到达图像区域。使用CCD相机（哈马松C4880，CCD：德克萨斯仪器TC-215，像素尺寸：12µm）和核乳胶板（富士EM G-OC 15）作为探测器。使用CCD相机，由于放大率较低，分辨率低于约1µm。核乳胶板用于高分辨率成像。使用直径为250µm的金线作为直接光束光阑。这些光学元件和样品被设置在空气中，相位板和直接光束光阑之间的光路被氦气代替。

图1 相控X射线显微镜示意图。波带板被设置在远离光轴的位置，以防止负一阶和零阶X射线到达图像区域。标本的图像聚焦在放大倍率为10的CCD相机上。通过样品透射的X射线聚焦到波带板的后焦平面上，在该平面上放置了相位板。

相位板放置在波带板的后焦平面上。通过样品的未偏差X射线聚焦在平面上，但散射或衍射产生的偏差X射线未聚焦在平面。因此，相位差可以通过位于后焦平面的相位板应用于未经偏移的X射线。考虑了两种类型的相位板。一种是点状相位板，它只影响未消散的X射线。另一种是针孔状相位板，它只影响偏离的X射线。图2显示了相应图像对比度的理论计算。样品应该是一个理想的相位物体，没有吸收，相移为0.01波长。据推测，未经偏移或偏移的X射线通过各自的相位板相位超前四分之一波长。贝内特采用的计算方法等。(1951). 图2结果表明，如果相位板的透射率小于20%，在点状相位板的情况下可以获得更好的对比度。然而，所有材料对于9keV X射线都相当透明。对于四分之一波长的黄金相位板，在9keV下的透射率为76%，计算出的对比度在这两种类型的相位板之间没有太大差异。因此，本实验中使用了针孔状四分之一波长的铝制相位板。

图2 相位物体的计算图像对比度的绝对值（无吸收，相移：0.01波长）。假设点状相位板将未偏离X射线的光路减少四分之一波长，而针孔状相位板则将偏离X射线减少四分之波长。图中的Au和Al表示这些元素的四分之一波长相位板的透射率。

同步辐射源位于光学系统上游35米处，辐射源尺寸为2.35σ_x个=0.68 mm水平和2.35σ_年=0.20 mm垂直（Photon Factory，2001). 经计算，在相位板处，缩小的源图像尺寸水平为3.5µm，垂直为1.0µm。为了区分未偏离和偏离的X射线，必须使用大于该源尺寸的针孔。因此，使用了直径为12µm的铝相位板。针孔是通过放电加工制成的。铝厚度为5µm，对应于四分之一波长的相移和8.97 keV X射线的96%透射率。

图3(一)显示了相控显微镜的相位板。相位板的针孔被放置在X射线照明的焦点处。通过样品的无偏差X射线通过针孔传输，不受相位板的影响。然而，散射或衍射产生的偏离X射线通过相位板的铝箔传输，相位提前了四分之一波长。这对应于负相位对比度。图3(b条)显示的是一张X射线图像，CCD相机上没有记录样本。左边是真实图像，右边是对应于负一阶X射线的想象图像。相板对于8.97 keV X射线几乎是透明的。然而，可以观察到相位板的针孔，对比度良好，如图3右侧所示(b条)因为右侧图像对应于来自同步辐射去增感源点的投影图像，并且可以用与相位控制射线照相术相同的方式观察到干涉对比度（威尔金斯等。, 1996). 因此，针孔可以很容易地定位在波带板的焦点上。

图3 (一)带直径12µm针孔的铝相板。(b条)CCD相机上未记录样本的X射线图像。左边是真实图像，右边是对应于负一阶X射线的想象图像。右侧的亮点是相位板针孔的投影。

3.性能测试和应用

显微镜的性能通过钽测试图形进行评估。该图案具有线条结构，线条和空间宽度为0.1至1.0µm，间隔为0.1µm。图案厚度为0.5µm，对应于91%的透射率。随后呈现的所有X射线图像都记录在核乳胶板上，用光学显微镜放大，并显示为照相阳性，其中白色代表高强度。

图4(一)显示了8.97 keV的亮场图像，无相位板。这是一个稍微散焦的图像，以便可以看到图案的轮廓（斯尼吉列夫等。, 1997). 可以分辨出0.3µm的最小水平线宽。图4(b条)显示了带有相位板的测试图形的相位对比图像。不仅图案的轮廓，Ta条纹的内部区域也可以观察到暗区，这与负相位对比度相对应。

图4 亮场X射线图像(一)和相位对比图像(b条)8.97 keV的Ta测试图形。Ta线的宽度在0.1–3.0µm范围内。图像记录在核乳胶板上。暴露时间为30秒。

图5显示了在核乳胶板上记录的直径为7.4µm的聚丙烯纤维的图像。7.4µm厚聚丙烯薄膜的透射率计算为99.8%；因此，这个样品可以被视为相位物体。图5(一)图5显示了无相位板的散焦亮场图像(b条)显示了相位板的相位对比图像。在亮场模式的散焦条件下可以观察到纤维的轮廓，但相控图像的对比度优于振幅对比图像。根据同一样品的CCD图像，相控图像的观察对比度估计为0.19，而聚丙烯纤维的相应计算对比度为0.68。据认为，对比度降低是由于相板的针孔尺寸相对较大，而源图像尺寸减小所致，因此相位差不能应用于来自样品的大部分偏离X射线。

图5 亮场X射线图像(一)和相位对比图像(b条)聚丙烯纤维，8.97 keV。图像记录在核乳胶板上。暴露时间为90秒。

观察含水生物标本是X射线显微镜最有希望的目标之一。为了观察含水生物样品，制作并测试了由两块30µm厚的石英片组成的样品架。选择直径为2.8µm的聚苯乙烯乳胶珠作为试样。图6(一)显示了样本架的示意图。将聚苯乙烯乳胶溶液和沥青25.4µm的铜网夹在两片石英中。两片之间的间距约为100µm。图6(b条)显示了在8.97keV下的相位对比图像。不仅可以观察到铜网的开放空间中的珠子，还可以观察到网条后面的珠子。聚苯乙烯微球在空气和水中的计算图像对比度分别为0.41和0.0088。水珠在水中的图像对比度很低。因此，人们认为聚苯乙烯乳胶溶液在观察之前几乎已经干燥。

图6 (一)样品架中直径为2.8µm的聚苯乙烯乳胶珠示意图。将聚苯乙烯乳胶溶液和沥青25.4µm的铜网夹在两片石英中。(b条)8.97 keV的X射线相位对比图像。使用核乳胶板。暴露时间为90秒。

总之，我们已经展示了一种具有波带板和铝相板的8.97 keV相控X射线显微镜。可以成像0.3µm的线条和空间图案。可以观察到几乎透明的样品，例如聚丙烯纤维和聚苯乙烯乳胶珠。这些样品可以在离焦亮场模式下观察到；然而，相位板在相位控制模式下可以获得更好的对比度。