DE69836730T2

DE69836730T2 - Hochauflösende röntgenbilderdarstellung von sehr kleinen objekten

Info

Publication number: DE69836730T2
Application number: DE69836730T
Authority: DE
Inventors: William Stephen Blackburn WILKINS
Original assignee: XRT Ltd
Current assignee: XRT Ltd
Priority date: 1997-04-08
Filing date: 1998-04-08
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2018-04-09
Also published as: CN1175430C; WO1998045853A1; EP0974149A1; HK1026505A1; IL132351A; EP0974149A4; KR20010006201A; IL132351A0; CN1252158A; DE69836730D1; US6430254B2; RU2224311C2; ATE349757T1; KR100606490B1; CA2285296A1; US20010001010A1; CA2285296C; US6163590A; EP0974149B1; JP2001519022A

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf die hochauflösende Abbildung von Merkmalen sehr kleiner Objekte unter Verwendung durchdringender Strahlung wie beispielsweise Röntgenstrahlen. Die Erfindung ist insbesondere zur Durchführung von mikroskopischer Röntgenstrahlen-Phasenkontrast-Abbildung geeignet und kann sinnvoll auf die räumliche, ultra hochauflösende Abbildung von mikroskopischen Objekten und Merkmalen, einschließlich kleiner biologischer Systeme wie beispielsweise Viren und Zellen und möglicherweise einschließlich großer biologischer Moleküle, angewendet werden.
Technischer Hintergrund
Ein bekannter Ansatz zur Mikroskopie unter Verwendung von Röntgenstrahlen ist die Projektions-Röntgenmikroskopie, bei der ein fokussierter Elektronenstrahl eine Folie oder ein sonstiges Target anregt und dadurch eine punktförmige Röntgenquelle in dieser/diesem erzeugt. Das Objekt wird in den divergierenden Strahl zwischen dem Target und einer fotografischen oder einer sonstigen Erfassungsplatte angeordnet. Kürzlich wurden mehrere Vorschläge gemacht, zur Anregung einer punktförmigen Quelle bei der Röntgenstrahlmikroskopie den Elektronenstrahl eines Elektronenmikroskops zu verwenden. Die Integration eines Röntgentomographen direkt in ein Elektronenmikroskop wurde von Sasov, in J. Microscopy 147, 169, 179 (1987) vorgeschlagen. Prototypen für Röntgentomographen-Anbauten an Rasterelektronenmikroskope unter Verwendung von ladungsgekoppelten Detektoren (CCD-Detektoren) wurden von Cazaux et al. in J. Microsc. Electron. 14, 263 (1989), Cazaux et al., J. Phys. (Paris) IV C7, 2099 (1993) sowie Cheng et al. X-ray Microscopy III, ed. A. Michette et al. (Springer Berlin, 1992), Seite 184 vorgeschlagen. Ferreira de Paiva et al. (Rev. Sci. Instrum. 67(6), 2251 (Juni 1996)) haben auf Basis der Vorschläge von Cazaux und Cheng ein Mikrotomographen-System entwickelt und dessen Leistungsfähigkeit untersucht. Ihre Anordnung bestand aus einer Anpassung einer kommerziell erhältlichen Elektronenmikrosonde und konnte Bilder mit ungefähr 10 μm Auflösung erzeugen, ohne dass größere Änderungen in der elektronenoptischen Säule benötigt wurden. Die Autoren stellten zusammenfassend fest, dass eine Auflösung mit 1 μm in der Tomographie mit ihrem Gerät erreichbar war. Alle Systemkomponenten und Verfahren zur Interpretation der Daten bzgl. der Bildintensität basierten in diesen Arbeiten auf dem Verfahren des Absorptionskontrasts.
Ein Übersichtsartikel von W. Nixon betreffend Röntgenmikroskopie kann in "X-rays: The First Hundred Years", ed. A. Michette & S. Pfauntsch, (Wiley, 1996, ISBN 0.471-96502-2) auf den Seiten 43 bis 60 gefunden werden.
Die internationale Patent-Offenlegungsschrift WO 95/05725 der vorliegenden Anmelderin offenbarte verschiedene Anordnungen und Bedingungen, die zur Differenzialphasenkontrast-Abbildung unter Verwendung harter Röntgenstrahlung geeignet sind. Weitere Offenbarungen können in dem russischen Patent 1402871 und dem US-Patent 5319694 gefunden werden. Praktische Verfahren zur Durchführung von Phasenkontrast-Abbildung mit harter Röntgenstrahlung werden in der internationalen Patent-Offenlegungsscchrift WO 96/31098 (PCT/AU96/00178) der vorliegenden Anmelderin, die ebenfalls anhängig ist, offenbart. Diese Verfahren schließen vorzugsweise die Verwendung von mikrofokussierten Röntgenquellen ein, die polychrom sein könnten, sowie die Verwendung geeigneter Abstände zwischen dem Objekt und der Quelle sowie zwischen dem Objekt und der Bildebene. Verschiedene mathematische und numerische Verfahren zur Extraktion der Phasenveränderung eines Röntgenstrahlenwellenfelds an der Austrittsebene des Objekts sind in dieser Anmeldung sowie in Wilkins et al. "Phase Contrast Imaging Using Polychromatic Hard X-rays" Nature (London) 384, 335 (1996) und ebenfalls anhängigen internationalen Patentanmeldung PCT/AU97/00882 der vorliegenden Anmelderin offenbart. Die in diesen Referenzen angegebenen Beispiele beziehen sich im Wesentlichen auf makroskopische Objekte und Merkmale sowie auf in sich abgeschlossene, herkömmliche Labor-Röntgenquellen, die von der Probe räumlich hinreichend beabstandet sind.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zumindest in einer bevorzugten Anwendung, die Röntgenstrahlen-Phasenkontrast-Abbildung mikroskopischer Objekte und Merkmale zu erleichtern.
Offenbarung der Erfindung
Diese Erfindung bringt die Erkenntnis mit sich, dass die zuvor genannte Aufgabe durch einen neuen Ansatz bei der Anpassung von Elektronenmikroskopen zur Röntgenabbildung oder durch die Verwendung intensiver Laserquellen oder Röntgen-Synchrotronquellen zur Erzeugung einer mirkofokussierten Röntgenquelle gelöst werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Probenzelle zur Verwendung beim Röntgen mit einer eine Kammer für eine Probe bildenden Anordnung sowie einem an der Anordnung befestigten Körper aus einem Material, das durch einen geeigneten einfallenden Strahl zur Erzeugung von Röntgenstrahlen angeregt werden kann, vorgesehen, wobei die Zelle derart angeordnet ist, dass bei Verwendung wenigstens ein Teil der Röntgenstrahlung die Kammer durchläuft, um die darin befindliche Probe zu bestrahlen, und danach zur Detektion aus der Anordnung austritt.
In einer Ausführungsform ist die Zelle eine integrierte in sich abgeschlossene Einheit, die dazu ausgelegt und dimensioniert ist, in eine komplementäre Haltevorrichtung, z.B. die Probenkammer, eines Rasterelektronenmikroskops oder einer -mikrosonde an einer Stelle, an der der Elektronenstrahl des Mikroskops/der Mikrosonde auf den Körper aus anregbaren Material fokussiert wird und somit den einfallenden Strahl zur Anregung des Materials zur Erzeugung von Röntgenstrahlen bildet, eingeführt zu werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Material durch einen einfallenden fokussierten Strahl aus elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise einem Laserstrahl oder einem Strahl aus Synchrotron-Strahlung, zur Erzeugung von Röntgenstrahlen anregbar.
Bei der Zelle handelt es sich vorzugsweise um eine Anordnung von Schichten mit Abmessungen parallel zur Ebene der Schichten im Bereich von ungefähr 1 Mikrometer oder ähnlichem bis zu einigen, beispielsweise 10 Millimetern. Die Zelle ist vorteilhafterweise zur Verwendung bei der Phasenkontrast-Abbildung ausgelegt, d.h. die Schichten, durch die die angeregte Röntgenstrahlung läuft, sind äußerst homogen und weisen sehr glatte Oberflächen auf, um die hohe räumliche Kohärenz des einfallenden Strahls in der Strahlung, die die Probe bestrahlt, aufrechtzuerhalten und um auf diese Weise den nutzbaren Kontrast des Bildes zu optimieren. Dies ist insbesondere für die Austrittsfläche der Schicht aus dem anregbaren Material sowie für die darauf folgenden Schichten in der Probenzelle wünschenswert.
Vorzugsweise ist das anregbare Material eine auf die die Zelle bildende Anordnung aufgebrachte Schicht aus dem Material, kann jedoch auch freistehend sein. Diese Anordnung umfasst vorzugsweise eine Substrat- und/oder Abstandshalterschicht, die für Röntgenstrahlen im allgemeinen oder für ein ausgewählte(s) Röntgenstrahlenenergieband/-bänder transparent ist und die die Schicht aus anregbarem Material von der Probe trennt. Obwohl sie für das/die interessante/interessanten Strahlenenergieband/Strahlenenergiebänder größtenteils transparent ist, kann die Substrat- und/oder Abstandshalterschicht auch derart ausgewählt werden, dass sie für Energien außerhalb dieses/dieser Bands/Bänder stark absorbierend ist, um die zu dem Bild beitragende chromatische Kohärenz des Röntgenstrahls zu verbessern.
Die Zelle kann offen sein oder sie kann dazu ausgelegt sein, hermetisch versiegelt zu werden, beispielsweise um ein Evakuieren der Elektronenmikroskop-Kammer nach dem Anordnen der Probe in der Kammer zu ermöglichen. Die Kammer oder Zelle kann dazu ausgelegt sein, verschlossen zu sein, und falls dies der Falls ist, umfasst die Anordnung ein für Röntgenstrahlen transparentes Fenster, durch das die Röntgenstrahlung zur Detektion aus der Anordnung austritt.
Die Schicht aus anregbarem Material weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 10 bis 1.000 nm auf und der Abstand dieser Schicht von der Probe kann im Bereich von 1 bis 1.000 μm liegen.
Bei diesem ersten Aspekt erstreckt sich die Erfindung auf ein Röntgenmikroskop oder eine Röntgenmikrosonde, beispielsweise ein Rasterröntgenmikroskop oder eine Rasterröntgenmikrosonde, mit Mitteln zur Erzeugung eines fokussierten Elektronenstrahls sowie einer Probenzelle, wie sie oben in einer oder mehreren der dargestellten Variationen beschrieben wurde, die in einer Haltevorrichtung an einer Stelle gehalten wird, an der der Elektronenstrahl auf den Körper aus anregbarem Material fokussiert wird und dadurch den einfallenden Strahl zur Anregung des Materials zur Erzeugung von Röntgenstrahlen bildet. Vorzugsweise umfassen die Mittel zur Erzeugung eines fokussierten Elektronenstrahls zur Abbildung mit einer sehr hohen Auflösung eine Feldemissionsspitzen-Elektronenquelle.
Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Erhalten eines vergrößerten Röntgenbilds einer oder mehrerer innerer Grenzen oder sonstiger Merkmale einer Probe bereit, umfassend die Schritte:

– Anordnen der Probe in einer Probenzelle nach dem ersten Aspekt der Erfindung und Einbringen der Zelle in eine Haltevorrichtung eines Elektronenmikroskops oder einer Elektronenmikrosonde an einer Stelle, an der der Elektronenstrahl des Mikroskops bzw. der Mikrosonde auf den Körper aus anregbarem Material fokussiert wird und dadurch den einfallenden Strahl zur Anregung der Substanz zur Erzeugung von Röntgenstrahlen bildet;
– Bestrahlen des anregbaren Materials mit einem Elektronenstrahl, um das Material zur Erzeugung von Röntgenstrahlen zu veranlassen, wobei zumindest ein Teil dieser die Kammer zur Bestrahlung der Probe einschließlich der einen oder mehreren inneren Grenzen oder der sonstigen Merkmale durchläuft und daraufhin aus der Zellanordnung austritt; und
– Detektieren und Aufzeichnen wenigstens eines Teils der Strahlung, nachdem diese die Probe bestrahlt hat, um ein Bild der einen oder mehreren inneren Grenzen oder der sonstigen Merkmale der Probe zu erhalten.

Bei der Röntgenabbildung kann es sich um eine Absorptionskontrast-Abbildung, eine Phasenkontrast-Abbildung oder um beides handeln. Die Erfindung ist insbesondere zur Durchführung einer Phasenkontrast-Abbildung geeignet. Das Bild/die Bilder kann/können durch das Detektorsystem oder sonstige Mittel bzgl. ihrer Energie gefiltert werden oder können gleichzeitig als Satz von Bildern entsprechend einer Abfolge von Röntgenstrahlen-Energiebändern erfasst werden.
Die von dem anregbaren Material erzeugte Röntgenstrahlung liegt vorzugsweise im Bereich mittlerer bis harter Röntgenstrahlung, das heißt im Bereich von 1 keV bis 1 MeV, und kann im Wesentlichen monochrom oder polychrom sein. Im ersten Fall kann das Verfahren weiterhin den Schritt des Verbesserns des Grades an Monochromatizität umfassen. Bei der Ausführung des Verfahrens oder der Verwendung der Vorrichtung liegt der Abstand zwischen Probe und Bildebene vorzugsweise in der Größenordnung von 10 bis 200 mm.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt bietet die Erfindung einen Aufbau zur mikroskopischen Röntgenabbildung mit Mitteln zur Lagerung einer Probe, einem Körper aus einem Material, das durch einen geeigneten einfallenden Strahl zur Erzeugung von Röntgenstahlen angeregt werden kann, wobei der Körper auf einem Substrat gehalten wird, das beim Betrieb zwischen dem Körper und der Probe angeordnet ist und somit als Abstandshalter dient, sowie Mittel zum Einstellen der Relativposition der Probe und des Körpers.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen lediglich beispielhaft weiter beschrieben. Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht einer Probenzelle gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung zur Durchführung von Röntgenmikroskopie mit harter Röntgenstrahlung und hoher Auflösung gemäß einer Ausführungsform des zweiten Aspekts der Erfindung;
2 eine modifizierte Probenzelle, die für weichere Röntgenstrahlen geeignet ist;
3 eine ähnliche Ansicht einer Probenzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die eine wesentliche Veränderung der Vergrößerung der Bilder von beispielsweise 100-fach bis 100.000-fach ermöglicht;
4 eine Diagrammdarstellung einer Ausführungsform, bei der die Targetschicht gemustert oder unterteilt ist;
5 ein Diagramm, das die Probenzelle aus 1 in der Probenkammer eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) angeordnet darstellt;
6 eine alternative, in situ dargestellte Ausführungsform einer im höheren Grad lose zusammengesetzte Zelle;
7 eine modifizierte Form der in 6 dargestellten Ausführungsform;
8 ein Diagramm, das die wesentlichen geometrischen Faktoren zeigt, die die Bildvergrößerung gemäß 1 beeinflussen und auf die im Text weiter unten eingegangen wird;
9 bis 12 beispielhafte berechnete Röntgenstrahlen-Intensitätsprofile einer einfachen zylindrischen Probe für verschiedene Größen und unter verschiedenen Bedingungen.
Bevorzugte Ausführungsformen
Bei der in 1 dargestellten Probenzelle 10 handelt es sich um eine integrale in sich abgeschlossene Einheit mit einem im Wesentlichen dreidimensional rechteckigen Aufbau. Die Zelle umfasst die Anordnung 11, die eine verschlossene Probenkammer 12 bildet, sowie eine an der Anordnung 11 befestigte Körper- oder Targetschicht 20 aus einem Material, das durch einen geeigneten einfallenden Strahl 5 zur Erzeugung von Röntgenstrahlen 6 angeregt werden kann. Die Zelle 10 ist derart angeordnet, dass wenigstens ein Teil der Strahlung 6 die Kammer 12 durchläuft und dadurch die Probe 7 in der Kammer bestrahlt und danach zur Detektion durch einen Röntgendetektor 35 aus der Anordnung austritt.
Die Anordnung 10 umfasst eine relativ dickere Substrat-/Abstandshalterschicht 22 sowie eine relativ dünnere Fensterschicht 24. Diese sind voneinander beabstandet, um die Kammer 12 zu bilden, die lateral von einer peripheren Seitenwand 26 verschlossen wird. Die Targetschicht 20 wird durch ein Gasphasenabscheidungsverfahren, wie beispielsweise Magnetron-Sputtern, thermische oder Elektronenstrahl-Verdampfung oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD) auf die Hauptfläche 23 des Substrats 22, die die bzgl. der Kammer 12 außen liegende Fläche bildet, aufgebracht.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Kammer 12 offen sein, jedoch ist sie insbesondere zur Verwendung mit biologischen Probenmaterialien, die in vivo oder in vitro untersucht werden, vorzugsweise mit einer Dichtung oder einer sonstigen geeigneten Anordnung wie beispielsweise geklebtem Mylar oder Epoxy-Harz abgedichtet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich bei der Targetschicht 20 aus anregbaren Material um eine Anregungsschicht, die üblicherweise aus einem Material mit hinreichend großer Atomzahl (Z) gebildet wird, um als Reaktion auf eine Anregung mittels eines Elektronenstrahls mittlere bis harte Röntgenstrahlung (>~ 1 keV) bereitzustellen, die die Anregungsschicht und den Rest der Zelle einfach durchdringen kann. Beispiele für geeignete Materialien umfassen Gold, Platin, Kupfer, Aluminium, Nickel, Molybdän und Wolfram. Die Dicke der Targetschicht 20 kann üblicherweise im Bereich von 10 nm bis 1.000 nm liegen. Die Dicke der Schicht wird entsprechend der erwünschten effektiven Größe der Quelle ausgewählt, die unter anderem durch das erwünschte Bildfeld und die Geometrie des Anregungsstrahls beeinflusst wird, da der Austrittswinkel der von der in der Anregungsschicht angeregten Röntgenquelle erzeugten Röntgenstrahlen eine Rolle spielt.
Im Fall einer Elektronenanregung der Targetschicht 20 kann es notwendig sein, die Schicht elektrisch zu erden, um ein Aufladen zu vermeiden, falls es sich bei der Anregungsschicht um einen Leiter handelt. Weiterhin kann eine Verbesserung der Kühlung der Targetschicht über eine Wärmeleitung durch das Substrat auch von Vorteil sein.
Der einfallende Strahl aus Teilchen oder Strahlung, in der bevorzugten Anordnung ein Elektronenstrahl, hat vorzugsweise eine hinreichende Energie, um Röntgenstrahlen mit der erwünschten Energiecharakteristik bzw. den zur Abbildung benötigten Bereich von Bremsstrahlung zu erzeugen. Im Fall einer Anregung durch einen Elektronenstrahl ist der Elektronenstrahl vorzugsweise derart, dass er bzgl. der charakteristischen Röntgenstrahlenenergie der zur Verwendung in der Abbildung vorgeschlagenen Hauptlinien eine hinreichende Überspannung aufweist, um eine ausreichende Röntgenstrahlintensität zu erreichen. Dies kann in einem Bereich von 1 kV bis 150 kV für die Beschleunigungsspannung der Elektronen der Fall sein.
Die Substrat-/oder Abstandshalteschicht 22 kann auf verschiedene Weisen wirken, einschließlich:

(i) als physikalische Lagerung für die relativ dünne Targetschicht 20;
(ii) als Abstandshalteschicht, um eine kontrollierte Beabstandung der Probe von der Quelle zu erreichen; und
(iii) als Energiebandpassfilter für die transmittierte Strahlung;
(iv) als Hilfsmittel zum Kühlen der Targetschicht.

Die Dicken können hier im Bereich von 1 μm bis 500 μm liegen. Diese Dicke ist die wesentliche Bestimmungsgröße zur Steuerung der erwünschten Vergrößerung. Eine weitere Aufgabe dieser Schicht besteht darin, die Dicke, über die relativ harte Röntgenstrahlen erzeugt werden, zu verringern, und folglich wird diese Schicht üblicherweise aus einem Material mit niedrigerer Atomzahl und/oder Dichte als die Targetschicht 20 bestehen. Geeignete Materialien würden umfassen: poliertes Silizium (Wafer, die kommerziell erhältlich sind), Floatglas oder poliertes Glas sowie dünne Schichten aus Beryllium, Bor, Glimmer, Saphir, Diamant und sonstige als Substrat verwendete Halbleitermaterialien. Diese können mit sehr glatten Oberflächen, nahe am atomaren Niveau erzeugt werden. Falls sie als Substrat wirkt, sollte diese Schicht vorzugsweise so sein, dass sie für dünne Schichten des Anregungsmaterials (Schicht 20) eine physikalische Lagerung bildet, und wird vorzugsweise:

(i) höchst homogen sein, das heißt auf atomarem Niveau bzgl. Dichte und Dicke gleichmäßig sein, sowie
(ii) sehr glatte Oberflächen haben,

Eine weitere Aufgabe der Schicht 22 besteht darin, den Schwall oder die Ausbreitung des Elektronenstrahls in der Anregungsschicht und somit die effektive Größe der Röntgenquelle zu verkürzen. In bestimmten Fällen kann die Schicht 22 nicht notwendig sein, falls das Targetmaterial mechanisch hinreichend stabil ist und die Dicke des Targets nicht negativ zur Breite der effektiven Größe der Röntgenquelle beiträgt.
Eine mögliche Modifikation des Grundaufbaus der Zelle besteht darin, die Substrat-/Abstandshalteschicht auszuhöhlen, um den Effekt der Absorption (insbesondere im Fall der Anregung von Röntgenstrahlen mit niedrigerer Energie, wie beispielsweise Al Kα) zu verringern. Eine modifizierte Zelle 10' dieser allgemeinen Art ist in 2 dargestellt, in der entsprechende, mit Strichen versehene Bezugzeichen entsprechende Bauteile bezeichnen. Der in der Schicht 22' gebildete Hohlraum ist mit 30 bezeichnet. Zwischen dem Hohlraum 30 und der Probenkammer 12' verbleibt eine restliche dünne Trennwand 22a. Diese verbleibende dünne Trennwand kann auf eine ähnliche Weise wie die Targetschicht 20' auf der Seite der Probe mit einer weiteren dünnen Schicht aus Material 25 beschichtet sein, wobei diese jedoch als ein Absorptionsfilter für niedrige Röntgenenergien dienen soll.
Austritts- oder Fensterschichten 24, 24' können dazu dienen, die Probe einzudämmen und um weiterhin jegliche unerwünschte Röntgenstrahlung, die von einer Anregung der Substrat-/Abstandshalteschicht 22, 22' stammt und die eine größere effektive Quellengröße, als die der Anregungsschicht aufweist und folglich zu einem Verlust an Auflösung führen würde, auszufiltern. Geeignete Materialien können Kapton, Aluminium, Mylar, Silizium und Germanium umfassen. Die Schicht 24 sollte vorzugsweise glatt sein und eine gleichmäßige Dichte aufweisen, um nicht aufgrund von Phasenkontrast-Effekten zu zusätzlichen Strukturen in dem Bild zu führen. Die Dicke ist derart, dass sie dazu geeignet ist, ein hinreichendes Filtern der Energie bzw. eine physikalische Lagerung für die verschlossene Probe zu erreichen. Dieses Austrittsfenster kann ebenfalls mit einem geeigneten, selektiven Röntgenabsorber beschichtet sein.
Eine weitere Modifikation der Zelle ist in 3 mit dem Bezugzeichen 10'' bezeichnet und ermöglicht eine erhebliche Variation in der Vergrößerung des Bildes über einen Bereich von angenommen 100-fach bis 100.000-fach. In 3 sind entsprechende Bauteile durch entsprechende, zweifach gestrichene Bezugzeichen bezeichnet. Die Veränderung der Vergrößerung wird erreicht, indem die anregbare Targetschicht 20'' und das Substrat 22'' als Einheit 40 auf eine Trennwand 22a innerhalb einer peripheren Wand 42 hin und von dieser weg bewegt werden kann. Alternativ kann die periphere Struktur 42 auf die Targetschicht 20'' zu und von dieser weg bewegt werden.
In einer anderen Modifikation kann die Targetschicht 20 auf ein kontinuierliches Substrat 22 aufgeteilt oder gemustert ausgebildet sein. 4 stellt diagrammartig eine beispielhafte Anordnung dar, in der Goldpunkte 20a, die die Targetschicht 20 umfassen, auf einem Substrat 22 aus Silizium voneinander beabstandet sind. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass durch einen weiteren, weniger schart fokussierten Elektronenstrahl 5 ein Röntgenstrahl 6 mit genau vorhersagbarer "Quellen"-Größe erzeugt werden kann.
Die dargestellten Zellen würden üblicherweise entweder durch Feinstzerspanung oder herkömmliche Verfahren in ausgewählten Abmessungen hergestellt werden, so dass die Zelle als eine integrale, in sich abgeschlossene Einheit mit vorher in der Kammer 12 eingesetzter Probe 7 in die Probenkammer einer oder mehrerer Arten kommerziell erhältlicher Elektronenmikroskope oder Elektronenmikrosonden eingesetzt werden kann. 5 stellt diagrammartig gerade eine derartige Anordnung in einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) für die Ausführungsform gemäß 1 dar. Die mit einer Probe beladene Probenzelle 10 wird in einer Haltevorrichtung 50 angeordnet, die wiederum von der oberen Wand 61 einer Probenkammer 60 herunterhängt. Die Haltevorrichtung 50 umfasst ein Paar ortsfester Seitenwände 52, 53 mit nach innen gerichteten unteren Flanschen 52a, 53a, die von der Wand 61 herabhängen, sowie einstellbare Führungen 54, 55, die auf den Flanschen 52a, 53a aufliegen. Piezostellglieder 56 gewährleisten jeweils eine genaue akkurate horizontale Einstellung der Schienen 54, 55 bzgl. der Seitenwände 52, 53 sowie der Zelle 10 in vertikaler Hinsicht bzgl. der Schienen 54, 55.
Die Zelle 10 ist unter einer Bestrahlungsöffnung 62 in der oberen Kammerwand 61 zentriert, durch die ein Elektronenstrahl von einer abgeschirmten Röhre 70, die in Abtastspulen 72 angeordnet ist, auf die Targetschicht 20 gerichtet wird. Der Strahl stammt aus einer geeigneten (nicht dargestellten) Elektronenstrahlquelle und ist von einem Fokussiermagneten 75 zur Fokussierung des Elektronenstrahls auf die Targetschicht 20 umgeben. Für eine Röntgenabbildung mit sehr hoher räumlicher Auflösung kann es sich bei der Elektronenstrahlquelle vorteilhafterweise um eine Feldemissionsspitze handeln, um die Spotsize zu minimieren und um dadurch, wie zuvor beschrieben, die laterale räumliche Kohärenz zu erhöhen.
Die Probenkammer 60 dient als Abschirmung gegen Streustrahlung, und ist, wie üblich, auf einer Halterung 64 angeordnet, die eine wesentliche vertikale Einstellung ermöglicht. Die gesamte Anordnung ist in einer evakuierbaren Kammer 77 untergebracht, die durch ein äußeres Gehäuse 76 gebildet wird. Zur Vereinfachung der Ausrichtung und Fokussierung ist an der Seite ein zweiter Elektronendetektor 78 angeordnet.
Die Probenkammer 60 umfasst weiterhin eine ringförmige Trennwand 66 mit einer zentralen Öffnung 67, die von einer mit einem Antrieb 69 ausgestatteten Blende 68 gesteuert wird. Das Basisteil 63 der Probenkammer 60 hält ein röntgenstrahlenaufzeichnendes Medium, wie beispielsweise den Detektor 35, der sich in diesem Fall im Vakuum befindet. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass das Detektorsystem in vielen Fällen außerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein kann, wobei in diesem Fall in dem äußeren Gehäuse 76 geeignete Röntgenstrahlenfenstermittel angeordnet wären. Weiterhin kann in weiteren Anpassungen der Erfindung die Probenzelle selbst das Vakuumfenster für das äußere Gehäuse 76 bilden.
Mit der dargestellten Anpassung kann das Mikroskop zur Röntgen-Absorptions-Abbildung oder Röntgen-Phasenkontrast-Abbildung verwendet werden und die Röntgenstrahlung 6 kann nach dem Austreten aus der Fensterschicht 24 von dem Röntgenstrahlenerfassungsmedium 35 erfasst werden. Zur Verwendung als Erfassungsmedium 35 sind Röntgenabbildungssysteme unter Verwendung von CCD-Detektoren oder photostimulierbare Phosphor-Bildplatten geeignet. Als verarbeitende Bildplatten sind Scanner möglich. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung umfasst die Verwendung von zweidimensional energieauflösenden Detektoren wie beispielsweise auf CdMnTe oder supraleitenden Josephson-Kontakten basierende Detektoren, um gleichzeitig ein oder mehrere effektive Röntgenbilder zu erhalten, die jeweils einem schmalen Röntgenstrahlenenergieband entsprechen. Dies sind Daten, die gut dazu geeignet sind, in den Verfahren zur Ermittlung der Phase verwendet zu werden, die in der ebenfalls anhängigen internationalen Patentanmeldung PCT/AU97/00882 der vorliegenden Anmelderin beschrieben werden, insbesondere für die hohe räumliche Auflösung, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Mikro-Abbildung benötigt wird.
Die in 4 dargestellte Anordnung ist zur Abbildung mikroskopischer Objekte und Merkmalen, einschließlich kleiner biologischer Systeme wie Viren und Zellen sowie möglicherweise großer biologischer Moleküle mit ultrahoher räumlicher Auflösung geeignet. Die Anordnung ermöglicht eine sehr kleine effektive Quellengröße, so dass eine hohe räumliche Auflösung oder nutzbare Vergrößerung erreicht werden kann, indem man den Abstand zwischen der Quelle und dem Objekt sehr klein macht (bis nach unten in die Größenordnung von einigen 10 Mikrometer oder weniger), während der Abstand zwischen Objekt und Bildebene makroskopisch sein kann, beispielsweise um 10 bis 100 mm. Der einfallende Elektronenstrahl 5 wird vorzugsweise auf eine Breite im Bereich von 10 bis 1.000 nm am Target fokussiert. Wie zuvor angedeutet, sollten für eine optimale Leistungsfähigkeit bei der Phasenkontrast-Abbildung und wie es in der ebenfalls anhängigen internationalen Patent-Offenlegungsschrift WO 96/31098 der vorliegenden Anmelderin gelehrt wird, sämtliche Bauteile mit Ausnahme der Probe derart beschaffen sein, dass sie die hohe laterale räumliche Kohärenz des Röntgenstrahls so gut wie möglich erhalten und in der Praxis bedeutet dies, dass sie bis nahezu auf atomares Niveau extrem glatte Oberflächen und auch eine so gut wie möglich äußerst gleichmäßige Dichte haben sollten, das heißt, äußert homogen und frei von Mikrofehlern und Unreinheiten.
Entsprechend der Anwendung und dem Verfahren zur Ableitung der Bilder kann es sich bei der Röntgenstrahlung im Wesentlichen um polychrome oder monochrome handeln. Im letzteren Fall kann es vorteilhaft sein, den Grad der Monochromatizität zu erhöhen, beispielsweise durch eine vernünftige Wahl der Materialien und/oder der Anregungsspannung der die Targetschicht treffenden Elektronen. Im ersten Fall kann es vorteilhaft sein, auf die Verwendung von energiesensitiven Detektoren zurückzugreifen.
6 stellt eine alternative Ausführungsform dar, in der eine Probenzelle 110 innerhalb der Bestrahlungsöffnung 162 der oberen Wand 161 einer Probenkammer aufgebaut ist. Die Öffnung 162 umfasst einen im Wesentlichen zylindrischen Hohlraum 200 mit einer divergierenden oder konischen oberen Öffnung 202 und einer unteren Öffnung 204 mit verringertem Durchmesser. Der Hohlraum 200 ist durch einen ortsfesten umlaufenden Ring 126 ähnlich der Seitenwand 26 der Ausführungsform aus 1 in einen unteren Bereich und einen oberen Bereich unterteilt. Auf einer mit einer Lippe versehenen Ringschiene 154 ist eine Fensterplattform 124 für die Probe 127 einstellbar angeordnet. Wie zuvor ermöglichen Piezostellglieder 156, 157 eine laterale und axiale Einstellung der Probenposition.
Eine die Targetschicht 120 und die Substrat-/Abstandshalteschicht 122 umfassende integrale Platte ist auf dem Ring 126 angeordnet und, falls notwendig, wird darauf ein Stabilisierungsring 95 angeordnet, um den Aufbau der Zelle zu vervollständigen. Es ist ersichtlich, dass die Probenkammer 112 jeweils teilweise von der Substrat-/Abstandshalteschicht 122, dem Ring 126 sowie der Fensterplattform 124 gebildet wird und dass die Trennung zwischen Targetschicht und Probe im axialen Bereich durch die Piezostellglieder 156, 157 eingestellt werden kann.
Allgemein kann natürlich die Targetschicht oder Probenkammer eingestellt werden, um die Vergrößerung in dem Mikroskop zu variieren.
7 ist eine modifizierte Form der Ausführungsform aus 6, in der entsprechende Bauteile durch entsprechende, mit Strichen versehene Bezugzeichen bezeichnet sind. Hier sind die Bauteile in einer in sich geschlossenen Einheit 150, die von den Seitenwänden 152 begrenzt wird und die passgenau in dem Hohlraum 200' am Rand 203 der Öffnung 204' sitzt, untergebracht. An dieser Seitenwand ist ein unterteilender Abstandshaltering 126' befestigt, der einen nach innen gerichteten, unteren Flansch 152a aufweist, um den mit einer Lippe versehenen Ring 154' verschiebbar zu lagern.
In jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen ist eine einzige Probenkammer 12 vorhanden. Für spezielle Anwendungen kann eine in sich geschlossene Zellenanordnung mehrere Unterzellen mit diskreten Probenkammern bilden.

Im Folgenden werden nun einige Erörterungen bzgl. wichtiger Parameter bei einer Anordnung zu Röntgenabbildung unter Verwendung einer Zelle der dargestellten Form in einem Rasterelektronenmikroskop angestellt. Zum Zweck dieser Erörterung kann auf die folgenden Werte der in 1 angegebenen Parameter Bezug genommen werden: es handelt sich um typische oder repräsentative Werte, die zur Verwendung bei der Ausführung einer Ausführungsform der Erfindung geeignet sind.

t₁ Dicke der Targetschicht 20	10 nm (und 100 nm)
t₂ Dicke der Lagerungs-/Abstandshalteschicht 22	10 Mikrometer
t₃ Dicke der Probenkammer 12	einige Mikrometer (üblicherweise t₃ ≤ t₂)
t₄ Dicke der Fensterschicht 24	einige 10 Mikrometer, jedoch handelt es sich nicht um einen kritischen Parameter

α Konvergenzwinkel des einfallenden Elektronenstrahls 5	2°
β Öffnungswinkel des Röntgenstrahls 6	10°
l_oi Abstand zwischen Fenster und Detektor	100 mm

Unschärfe des Bilds aufgrund der endlichen Größe der Quelle
Eine Unschärfe in der Bildebene aufgrund der endlichen Größe der Quelle wird auf einer räumlichen Skala in einer Größenordnung von ~lt1, sin (β/2)l + lt1 tan (α/2)lauftreten, wobei ausschließlich geometrische Effekte berücksichtigt werden.
Für die für diese Parameter oben gewählten Zahlen würde dies einen Wert in der Größenordnung von 1 nm ergeben, was demzufolge im Fall der vorliegenden Parameterwerte vernachlässigbar ist.
Vergrößerung
Die wesentlichen geometrischen Parameter, die die Vergrößerung M beeinflussen, sind in dem Diagramm in 8 wiedergegeben. In dieser Näherung ergibt sich die Vergrößerung des Bildes zu: M ≈ (loi + t2 + t4)/t2 ~ loi/t2 for loi ~ 100 mm, t2 ~ 10 μm: M = 100/0.01 = 104.
Folglich wird ein Merkmal des Objekts mit 2,5 nm Größe in dem Bild als ein Merkmal mit 0,025 mm (25 μm) erscheinen. Ein derartiges Merkmal ist vergleichbar mit den üblichen räumlichen Auflösungen, die mit hochauflösenden digitalen Röntgen-Abbildungssystem basierend auf ladungsgekoppelten Geräten und photostimulierbaren Phosphor-Abbildungsplatten erreichbar sind.
Sichtfeld
Es ist wünschenswert, dass β und t₂ groß sind, um ein großes Sichtfeld der Probe (des Objekts) zu erzeugen, das heißt: = 2t2tan(β/2) ≈ 2t2β/2und für die oben speziell gewählten Parameterwerte ~2 × 10 × tan(5°) ≈ 2μmin der Objektebene.
Mit einem Elektronen-Abbildungssystem könnte man durch Abtasten (oder Rastern) des Probestrahls viele Bilder von derselben Probe erhalten. Ein Sichtfeld von 2 Mikrometer auf der Probe würde auf der Bildebene (2 × 104) × (2 × 104) (μm2) = 20 × 20 (mm2)entsprechen.
Auch dies ist für die Sichtfelder von hochauflösenden elektronischen Abbildungssystemen wie CCD's etc. gut geeignet.
Kontrast und Auflösung
Eine detaillierte Analyse der Abhängigkeit des Kontrasts und der Auflösung von den wesentlichen physikalischen Parametern, die bei Röntgenabbildungen mit einer mikrofokussierten Quelle beteiligt sind, umfasst die folgenden Schlüsselgrößen:

s: Größe der Quelle
R₁: Abstand der Quelle zur Objektebene
R₂: Abstand der Objektebene zur Bildebene
λ: Röntgenstrahlen-Wellenlänge
u = 1/d: wobei u die einer räumlichen Periode d entsprechende räumliche Frequenz in einem Objekt darstellt
D: räumliche Auflösung in der Bildebene
α: Winkeldivergenz im Fall quasi-ebener Wellen.

Die vorliegenden Erfinder haben gemeinsam mit Dritten den Kontrast und die Auflösung für partiell kohärente Beleuchtung eines dünnen Objekts mit klassischer Optik behandelt, was (nach dem Prioritätsdatum dieser Anmeldung) in Rev. Sci. Instrums. 68 (7) Seite 277, Juli 1997 veröffentlicht wurde. Die Ergebnisse können in Form von optischen Transferfunktionen sowohl für die Absorptionskontrast-Anteile des Bildes als auch die Phasenkontrast-Anteile des Bildes wiedergegeben werden. Eine Zusammenfassung der kritischen Bedingungen, die den Kontrast und die Auflösung bei Röntgenmikroskopie bestimmen, sind in der hier beiliegenden Tabelle 1 wiedergegeben. Genauer gesagt kann gezeigt werden, dass der optimale Phasenkontrast in dem (vorliegenden) Fall von Kugelwellen gegeben ist durch: u = (2λR1)–1/2 wobei für R₁ = 10 μm
λ = 0,1 nm
sich ein Wert von u = 1/d ~ 40 nm ergibt.
Die sich durch die endliche Größe der Quelle (angenommen s = 10 nm) ergebende Kohärenzbegrenzung der Auflösung d_low, ergibt sich zu u = 1/s = 108 m–1 bzw. dlow = 10 nm.
Die obere Grenze von u bzgl. der Sichtbarkeit, 1/s, erfolgt mit optimalen Phasenkontrast, falls R1 = s2/2λ = (10 × 10–9)2/(2 × 10–10) = 0,5 μmim oben genannten Fall.
Diese Resultate ergeben ein Gefühl für die Dimensionen der Schlüsselparameter, die zum Erreichen eines optimalen Kontrasts für eine vorgegebene Röntgenwellenlänge benötigt werden.
Eine Analyse der Bildintensitätsdaten und einer Extraktion der effektiven Reinphasen sowie Absorptionskontrast-Bilder oder Mischungen kann vorteilhafterweise auf die Maxwell-Gleichungen oder eine geeignete Variante basiert werden, beispielsweise unter Verwendung der Fourier-Optik oder geeigneter Transport of Intensity Equations (TIE), wie es beispielsweise in früheren Patentanmeldungen der vorliegenden Anmelderin auf diesem Gebiet, insbesondere in der ebenfalls anhängigen internationalen Patentanmeldung PCT/AU97/00882 dargestellt ist.
Um bei der Illustration der Art des/der erwarteten Kontrasts/Auflösung im Fall von Röntgenmikroskopie sehr kleiner Objekte unter Verwendung der vorliegenden Erfindung zu helfen, werden in den 9 bis 12 einige beispielhaft berechnete Intensitätsprofile (Schnitte von Bildern) wiedergegeben. Diese Berechnungen gelten für eine einfache zylindrische Probe (Objekt) – eine Polystyrolfaser – verschiedener Größe und unter verschiedenen Aufnahmebedingungen, für Röntgenstrahlen mit 1 keV und unterschiedlicher R₁ (Abstand von Quelle zu Objekt) jedoch konstantem R₁ + R₂ (wobei R₂ der Abstand zwischen Objekt und Bild ist). Die wesentlichen untersuchbaren Merkmale sind die Kontrastwerte und die Auflösung, die mit Röntgenstrahlen von 1 keV erreichbar sind. In einer ersten Näherung kann man die Bedingung für einen maximalen Kontrast aus den in Tabelle 1 wiedergegebenen Ergebnissen erhalten.
Die Berechnungen, aus denen man die 9 bis 12 erhält, wurden unter Verwendung von Wellenoptik basierend auf der Kirchhoff-Formel zur Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung durchgeführt. Diese beinhalten recht intensive numerische Integration. Sowohl Absorption, als auch Phaseneffekte werden berücksichtigt. Wie man sieht, stellen die Kurven die Intensität in der Bildebene dar, beziehen sich jedoch auf den Abstand vom Objekt. Die vier Abbildungen beziehen sich auf unterschiedliche Faserdurchmesser und alle auf Röntgenstrahlen mit 1 keV und bei 10 cm festgehaltenem R₁ + R₂. Jede Figur zeigt Kurven für unterschiedliche Werte von R₁ (und folglich von R₂). Die vertikal gestrichelten Linien bezeichnen die Kanten der zugehörigen Faser. Selbst für die kleinste Faser (0,05 μm) ergibt sich für ein geeignetes R₁ ein Kontrast von ungefähr 4%, was brauchbar ist. Ein Intensitätswert von 1 entspricht dem, was man erhalten würde, falls kein Objekt vorhanden wäre.
Rekonstruktion des Objekts in der Röntgenmikroskopie
Abhängig von der Art des Objekts und der Genauigkeit und dem benötigten Grad an Raffinesse kann die abgebildete Struktur einer Probe (Objekt) aus einem oder mehreren digitalisierten Bildern auf verschiedene Weise rekonstruiert werden. Rekonstruktion bedeutet in diesem Zusammenhang die Bestimmung der Verteilung sowohl der reellen (Brechungs), als auch die imaginären (Absorptions) Anteile des abgebildeten Brechungsindexes des Objekts entlang der optischen Achse.
In vielen Fällen, insbesondere für üblicherweise in einem Mikroskop untersuchte dünne Objekte, ist der sinnvollste Ausgangspunkt möglicherweise die linearisierte Brechungsgleichung (in einer Dimension): I(u)In ~ δ (u) – 2 sin (πλzu2) Φ (u) – 2 cos (πλzu2)μ(u) (1),wobei λ die Wellenlänge der Röntgenstrahlung, z der Abstand zwischen Objekt und Bild und I, Φ und μ die Fourier-Darstellungen der Bildintensität, Phase des Objekts bzw. Absorptions-Transmission-Funktionen sind. Die Variable u stellt die räumliche Frequenz dar. Es wird angenommen, dass eine einfallende monochromatische ebene Welle sich in der z-Richtung ausbreitet. Die vorliegende Diskussion bezieht sich auf Fälle ebener Wellen, obwohl der Fall von Kugelwellen tatsächlich für Mikroskopie geeigneter ist und von dem Fall ebener Wellen durch geeignete algebraische Transformationen abgeleitet werden kann.
Im Allgemeinen können Φ(u) und μ(u) nicht beide aus einer einzigen Messung von I(u) bestimmt werden; es werden wenigstens zwei unabhängige Messungen unter Verwendung verschiedener Werte von z oder λ benötigt. Jedoch kann im Fall eines phasenreinen Objekts, für das der letzte Term in Gleichung (1) verschwindet, im Grunde genommen eine einzige Messung von I(u), das heißt, die Messung eines einzigen Bildes, prinzipiell ausreichen, um Φ(u), die räumliche Verteilung der Phasenverschiebung aufgrund des Objekts zu ermitteln. Selbst hier bestehen jedoch Vorteile bei der Durchführung mehrerer Messungen, um die Effekte des Rauschens und der Nulldurchgänge der "Transferfunktion" sin (πλz u²), die einen Informationsverlust für spezielle Werte der räumlichen Frequenz u bewirken, zu verringern. Dies ist ein Grund, warum die Variabilität der "Brennweite" z und/oder der Wellenlänge λ als eine nützliche Eigenschaft des vorliegenden Geräts erachtet wird.
Für hinreichend kleine Werte von λzu² kann Gleichung (2) weiter vereinfacht werden, das heißt die Sinus- und Cosinus-Terme können in der ersten Ordnung entwickelt werden, woraus sich ergibt: I(u) – In(u) ≈ 2 πλ zu2 Φ(u) (2) was ähnlich zu einer Form der Transport of Intensity Equation ist (M.R. Teague J.Opt.Soc.Am., A73, 1434–41, (1983); T.E. Gureyev, A. Roberts, & K.A. Nugent, J.Opt.Soc.Am., A12 1932–41, 1942–46 (1995); Gureyev & Wilkins, J.Opt.Soc.Am. A15, 579–585 (1998). Sie beschreibt das differenziale Phasen-Kontrast-System (Pogany, Gao, & Wilkins, Rev. Sci. Instrum. 68, 2774–82 (1997), was bereits vorgeführt wurde (vergleiche Wilkins et al., Nature (1996)).
Falls die lineare Theorie unzureichend ist, kann man auf die elementare Fresnel-Kirchhoff-Brechungsformel (im Fourier-Raum) zurückgreifen: F(u) = exp (–ikz) Q(u) exp (iπλ zu2) (3)und versuchen, diejenige Objekt-Transmissionsfunktion Q aufzufinden, die die beobachteten Intensität/Intensitäten I(x) = |F(x)²| am besten wiedergibt. Dies kann iterativ erfolgen, in einer ähnlichen Weise, wie sie in numerischen Arten zur Rekonstruktion (Wiederherstellung) von optischen Hologrammen und Elektronenmikroskopbildern verwendet wird, wobei verschiedene Schemen beschrieben wurden (J.R. Fienup, "Phase Retrieval Algorithmus: A Comparison", Appl. Opt 21 2758 (1982); R.W. Gerchberg und W.O. Saxton, Optik (Stuttgart) 35 237, (1972)). Eine Konvergenz erfolgt jedoch häufig sehr langsam und es besteht ein großer Raum für verbesserte Algorithmen.
Das oben gesagte bezieht sich alles auf ein- oder zwei-dimensionale Abbildungen der Objektstruktur. Für drei-dimensionale Objektrekonstruktionen werden üblicherweise wenigstens zwei Abbildungen (Stereoskopie) oder mehrere Abbildungen (für Tomographie) benötigt. Ersteres kann in dem vorliegenden Gerät durch Verwendung von Strahlablenkung erreicht werden. Letzteres würde Mittel für eine genaue Rotation der Probe benötigen, was mit herkömmlichen mechanischen Mitteln erreicht werden könnte, jedoch weitere Modifikationen notwendig machen würde, die über den Standardmikroskopaufbau, wie er in dieser Anmeldung beschrieben würde, hinausgehen.
Vorteile der dargestellten Probenzellen und der diesbezüglichen Verfahren zur Röntgenabbildung mit harter Strahlung und hoher Auflösung (insbesondere Phasenkontrast-Abbildung) umfassen die folgenden:

• Sehr hohe räumliche Auflösung (das heißt, verwendbare Vergrößerung).
• Kann als spezielle Probenzelle in Verbindung mit hochauflösenden Rasterelektronenmikroskopen verwendet werden.
• Kann zur Untersuchung biologischer Proben in vivo oder in vitro in einem Elektronenmikroskop verwendet werden, ohne dass die biologische Probe selbst ins Vakuum eingebracht werden muss, obwohl die Probenzelle sich im Vakuum befindet (jedoch geeigneterweise mit einer Dichtung oder beispielsweise Epoxy abgedichtet).
• Verringerte Strahlenschäden an der Probe als Folge der Möglichkeit, einen Bildkontrast bei höheren Röntgenstrahlenenergien zu erreichen, als bei der üblichen Röntgenmikroskopie von biologischen Materialien mit weicher Strahlung.
• Kann die charakteristische Röntgenstrahlenenergie verändern, indem verschiedene Targetmaterialien zur Anregung und/oder Elektronenbeschleunigungsspannungen verwendet werden.
• Hohe mechanische Stabilität aufgrund eines integrierten Aufbaus.
• Das Austrittsfenster der Zelle kann zum Ausfiltern von Röntgenstrahlen mit niedriger Energie verwendet werden und auf diese Weise unerwünschte Hintergrundstrahlung (insbesondere von der Substrat/Abstandshalterschicht) entfernen (bereinigen), die aufgrund ihrer großen effektiven Quellengröße die Gesamtauflösung verschlechtern kann.
• Das Volumen der Zelle kann relativ klein gemacht werden. Durch Verwendung einer geeigneten Dichtung und angelegtem Drücken könnte dies sogar in situ einstellbar gemacht werden, wobei dies die Möglichkeit der Einstellung der Erkennbarkeit bestimmter, interessanter Merkmale in der Probe bietet.
• Die Zellen können prinzipiell wiederverwertet werden.
• Die Zellen könnten durch eine geeignete Heizstufe in dem Mikroskop auf beispielsweise Raumtemperatur gehalten werden.
• Es kann ein großer Bereich der Probe untersucht werden, indem der Elektronenstrahl abgelenkt oder die Probenzelle verschoben wird und verschiedene Belichtungen aufgenommen werden.
• Die Fokussierung des Elektronenstrahls auf das Anregungstarget kann durch die Verwendung eines sekundären Elektronendetektors oder durch die Verwendung von Detektoren zur Elektronenabbildung auf praktische Weise überwacht werden.
• Kann zur Implementierung von Computertomographie (CT) mit begrenztem Sichtfeld verwendet werden, indem entweder der anregende Strahl auf dem Target gerastert wird oder die gesamte Zelle rotiert wird.

Tabelle 1
Zusammenfassung der Eigenschaften linearer Abbildung ohne Linsen
[nach Pogany et al., Rev. Sci. Instrums. Juli, 1997]
A. Allgemeines
Vorteile:

• Einfachheit der Vorrichtung, das heißt, keine Linsen oder Spiegel, keine Aberrationen.
• Geringe Anforderungen bzgl. Monochromatizität.
• Ähnlich zu gegenwärtigen Röntgengeräten.
• Verringerter Beitrag inkohärenter Streuung,
• Sowohl die Amplitude, als auch die Phaseninformation kann aus den Intensitätsdaten abgeleitet werden.

Nachteile:

• Quelle mit hoher lateraler Kohärenz benötigt.
• Kann geeignete Verfahren zur Rekonstruktion des Bildes benötigen.
• Nutzbare physikalische Vergrößerung durch die Größe der Quelle und die Genauigkeit der Annäherung der Probe an die Quelle beschränkt.
• Kein physikalischer Zugang zur Brennebene, was den Einsatz verschiedener Kontrastmechanismen ermöglichen würde.
• Erhöhte Sensitivität bzgl. der Qualität der im Strahl angeordneten Bauteile wie Fenster und Filter.

Tabelle 1

Claims

Probenzelle (10) zur Verwendung beim Röntgen mit einer eine Kammer (12) für eine Probe bildenden Anordnung sowie einem an der Anordnung befestigten Körper (20) aus einem Material, das durch einen geeigneten einfallenden Strahl (5) zur Erzeugung von Röntgenstrahlen (6) angeregt werden kann, wobei die Zelle derart angeordnet ist, dass bei Verwendung wenigstens ein Teil der Röntgenstrahlung die Kammer durchläuft, um die darin befindliche Probe (7) zu bestrahlen, und danach zur Detektion aus der Anordnung austritt.
Probenzelle nach Anspruch 1, wobei die Zelle eine integrierte in sich abgeschlossene Einheit ist, die dazu ausgelegt und dimensioniert ist, in eine komplementäre Haltevorrichtung (50) eines Elektronenmikroskops oder einer Elektronenmikrosonde an einer Stelle, an der der Elektronenstrahl des Mikroskops auf den Körper aus anregbaren Material fokussiert wird und somit den einfallenden Strahl zur Anregung des Materials zur Erzeugung von Röntgenstrahlung bildet, eingeführt zu werden.
Probenzelle nach Anspruch 1, wobei das Material durch einen einfallenden fokussierten Strahl aus elektromagnetischer Strahlung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung anregbar ist.
Probenzelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Zelle eine Anordnung von Schichten mit Abmessungen parallel zur Ebene der Schichten im Bereich von ungefähr 1 Mikrometer bis 10 Millimeter ist.
Probenzelle nach Anspruch 4, die zur Verwendung bei der Phasenkontrast-Abbildung ausgelegt ist, wobei die Schichten, durch die die angeregte Röntgenstrahlung läuft, äußerst homogen sind und sehr glatte Oberflächen aufweisen, um die hohe räumliche Kohärenz des einfallenden Strahls in der Strahlung, die die Probe bestrahlt, aufrechtzuerhalten und um auf diese Weise den nutzbaren Kontrast des Bildes zu optimieren.
Probenzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Körper aus anregbarem Material eine auf die die Zelle bildende Anordnung aufgebrachte Schicht aus dem Material ist.
Probenzelle nach Anspruch 6, wobei die Schicht aus anregbarem Material eine Dicke im Bereich von 10 bis 1.000 nm aufweist und derart angeordnet ist, dass im Betrieb der Abstand dieser Schicht von der Probe im Bereich von 1 bis 1.000 μm liegt.
Probenzelle nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Anordnung eine Substrat- und/oder Abstandshalteschicht (22) umfasst, die für Röntgenstrahlen im Allgemeinen oder für ein ausgewähltes Röntgenstrahlenenergieband/-bänder transparent ist und die die Schicht aus anregbarem Material von der Probe trennt.
Probenzelle nach Anspruch 8, wobei die Substrat- und/oder die Abstandshalteschicht für Energien außerhalb des/der ausgewählten Röntgenstrahlenenergieband/-bänder stark absorbierend ist, um die zu dem Bild beitragende chromatische Kohärenz des Röntgenstrahls zu verbessern.
Probenzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Körper eine unterteilte oder gemusterte Anordnung von Körperbereichen ist, die auf einem gemeinsamen Substrat gehalten wird.
Probenzelle nach einem vorangehenden Anspruch, wobei die Kammer offen ist.
Probenzelle nach Anspruch 11, wobei die Kammer dazu ausgelegt ist, nach dem Einbringen der Probe in die Kammer hermetisch versiegelt zu werden.
Probenzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Kammer dazu ausgelegt ist, verschlossen zu werden, und die Anordnung ein für Röntgenstrahlung transparentes Fenster umfasst, durch das die Röntgenstrahlung zur Detektion aus der Anordnung austritt.
Probenzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche in Kombination mit einem energiesensiblen oder einem energieauflösenden Detektor.
Röntgenmikroskop oder -mikrosonde mit Mitteln zur Erzeugung eines fokussierten Elektronenstrahls sowie einer Probenzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, die dazu ausgelegt ist, in einer Haltevorrichtung an einer Position gehalten zu werden, an der der Elektronenstrahl auf den Körper aus anregbarem Material fokussiert wird und dadurch den einfallenden Strahl zur Anregung des Materials zur Erzeugung von Röntgenstrahlung bildet.
Röntgenmikroskop oder -mikrosonde nach Anspruch 15, wobei der Elektronenstrahl in dem Körper aus anregbarem Material auf eine Breite im Bereich von 10 bis 1.000 nm fokussiert ist.
Röntgenmikroskop oder -mikrosonde nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Vorrichtung zur Erzeugung eines fokussierten Elektronenstrahls eine Feldemissionsspitzen-Elektronenquelle umfasst.
Röntgenmikroskop oder -mikrosonde nach Anspruch 15, 16 oder 17, weiterhin umfassend einen energiesensiblen oder energieauflösenden Detektor.
Bauteileset, das dazu ausgelegt ist, eine Probenzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zu bilden, wobei dies in situ in einer Haltevorrichtung eines Elektronenmikroskop oder einer Elektronenmikrosonde an einer Stelle erfolgt, an der der Elektronenstrahl auf den Körper aus anregbarem Material fokussiert wird und dadurch den einfallenden Strahl zum Anregen des Materials zur Erzeugung von Röntgenstrahlung bildet.
Verfahren zum Erhalten eines vergrößerten Röntgenbilds einer oder mehrerer inneren Grenzen oder sonstiger Merkmale einer Probe, umfassend die Schritte: – Anordnen der Probe in einer Probenzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und Einbringen der Zelle in eine Haltevorrichtung eines Elektronenmikroskops oder einer Elektronenmikrosonde an einer Stelle, an der der Elektronenstrahl des Mikroskops bzw. der Mikrosonde auf den Körper aus anregbarem Material fokussiert wird und dadurch den einfallenden Strahl zur Anregung der Substanz zur Erzeugung von Röntgenstrahlen bildet; – Bestrahlen des anregbaren Materials mit einem Elektronenstrahl, um das Material zur Erzeugung von Röntgenstrahlung zu veranlassen, wobei zumindest ein Teil dieser die Kammer zur Bestrahlung der Probe einschließlich der einen oder mehreren inneren Grenzen oder der sonstigen Eigenschaften durchläuft und daraufhin aus der Zellanordnung austritt, und – Detektieren und Aufzeichnen wenigstens eines Teils der Strahlung, nachdem diese die Probe bestrahlt hat, um ein Bild der einen oder mehreren inneren Grenzen oder der sonstigen Merkmale der Probe zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Röntgenabbildung eine Phasenkontrast-Abbildung oder eine Mischung von Absorptionskontrast und Phasenkontrast ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der einfallende Röntgenstrahl und die die Probe bestrahlende Strahlung räumlich höchst kohärent sind, um den nutzbaren Kontrast in dem Bild zu optimieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei der Elektronenstrahl in dem Körper aus anregbarem Material auf eine Breite im Bereich von 10 bis 1.000 nm fokussiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei die verwendete Probenzelle eine Anordnung aus Schichten mit Abmessungen parallel zur Ebene der Schichten im Bereich von ungefähr 1 Mikrometer bis ungefähr 10 Millimeter ist, und wobei die Schichten, die die angeregte Röntgenstrahlung durchläuft, äußerst homogen sind und sehr glatte Oberflächen aufweisen, um die hohe räumliche Kohärenz des einfallenden Strahls in der die Probe bestrahlenden Strahlung aufrechtzuerhalten, wodurch der nutzbare Kontrast in dem Bild optimiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei die von dem anregbarem Material erzeugte Röntgenstrahlung im Bereich mittlerer bis harter Röntgenstrahlung liegt, i.e. im Bereich von 1 keV bis 1 MeV, und im Wesentlichen polychrom ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, wobei die von dem anregbarem Material erzeugte Röntgenstrahlung im Wesentlichen monochrom ist, und das Verfahren weiterhin den Schritt des Verbesserns des Grades an Monochromatizität dieser Röntgenstrahlung beinhaltet.
Aufbau zur Röntgenbildmikroskopie umfassend: – eine Probenzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Körper der Probenzelle auf einem Substrat gehalten ist, das beim Betrieb zwischen dem Körper und der Probe angeordnet ist und somit als Abstandshalter dient, sowie – Mittel zum Einstellen der Relativposition der Probe und des Körpers.
Aufbau zur Röntgenbildmikroskopie nach Anspruch 27, wobei das Substrat auch ein Filter der Röntgenstrahlung ist.
Aufbau zur Röntgenbildmikroskopie nach Anspruch 27 oder 28, wobei das Material durch einen einfallenden Elektronenstrahl, beispielsweise in einem Elektronenmikroskop oder einer Elektronenmikrosonde anregbar ist.
Aufbau zur Röntgenbildmikroskopie nach Anspruch 27 oder 28, wobei das Material durch einen einfallenden fokussierten Strahl elektromagnetischer Strahlung anregbar ist, um Röntgenstrahlung zu erzeugen.
Aufbau zur Röntgenbildmikroskopie nach einem der Ansprüche 27 bis 30, der dazu ausgelegt ist, in der Phasenkontrast-Abbildung verwendet zu werden, wobei der Körper und das Material Schichten sind, die äußerst homogen sind und einschließlich der Austrittsgrenze des Körpers sehr glatte Oberflächen aufweisen, um die hohe räumliche Kohärenz des einfallenden Strahls in der die Probe bestrahlenden Strahlung aufrechtzuerhalten und um dadurch den nutzbaren Kontrast in dem Bild zu optimieren.
Aufbau zur Röntgenbildmikroskopie nach einem der Ansprüche 27 bis 31, wobei der Körper eine unterteilte oder gemusterte Anordnung aus Körperbereichen ist, die auf einem gemeinsamen Substrat gehalten sind.
Probenzelle nach Anspruch 10, wobei die unterteilte oder gemusterte Anordnung aus Körperbereichen eine Anordnung von auf einem gemeinsamen Substrat voneinander beabstandeter Punkte umfasst.
Probenzelle nach Anspruch 33, wobei die Punkte einen Durchmesser von ungefähr 0,2 Mikrometer aufweisen.
Probenzelle nach Anspruch 33 oder 34, wobei die Punkte eine Anordnung aufweisen, aufgrund der der einfallende Strahl breiter als jeder Punkt ist.
Anordnung zum Röntgen nach Anspruch 32, wobei die unterteilte oder gemusterte Anordnung aus Körperbereichen eine Anordnung von auf einem gemeinsamen Substrat voneinander beabstandeter Punkte umfasst.
Anordnung zum Röntgen nach Anspruch 36, wobei die Punkte einen Durchmesser von ungefähr 0,2 Mikrometer aufweisen.
Anordnung zum Röntgen nach Anspruch 36 oder 37, wobei die Punkte eine Anordnung aufweisen, aufgrund der der einfallende Strahl breiter als jeder Punkt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, wobei der Körper eine Anordnung von auf einem gemeinsamen Substrat voneinander beabstandeter Punkte ist und wobei der Elektronenstrahl breiter als jeder Punkt ist.