Rontgenstrahl-Sihattenmi kroskop

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1 Rontgenstrahl-Sihattenmi kroskop Von Dr. Vernon Ellis Cosslett, Cambridge*) 1. Einleitung Aufgrund der sehr kurzen Wellenlange ware bei mikroskopischer Abbildung mit Rontgenstrahlen theoretisch ein sehr hohes Auflosungsvermogen zu erwarten. Der einfachste Weg diirfte die Anwendung eines aurerst feinen Brennfleckes sein. Der NachvergroRerung von Kontaktaufnahmen wird bekanntlich durch die KorngroRe der photographischen Schicht eine Grenze gesetzt. Dieses Verfahren ist von E n g s t r 6 m und anderen haufig angewendet worden ). Ferner labt sich unter Ausnutzung der Totalreflexion ein richtiges Mikroskop mit Spiegelsystemen bauen. K i r k p a t r i ck hat diesen Weg beschritten*); allerdings ist er bis jetzt nicht iiber ein Auflosungsvermogen von einigen!c hinausgekommen, wobei iiberdies das Gesichtsfeld sehr klein ist. Dies ist vor allem die Folge starker Aberration bei Spiegeln einfacher Gestalt, wenn diese bei flachen Reflexionswinkeln benutzt werden. Wir in Cambridge haben die schattenmikroskopische Methode verfolgt9, welche zuerst von M. v. Ardenne vorgeschlagen worden war4). Mit Hilfe von Elektronenlinsen wird ein sehr feiner Brennpunkt auf der Antikathode erzeugt. Diese Antikathode besteht aus einer sehr diinnen Metalliolie, damit man ein Maximum an durchdringender Rontgenstrahl-Intensi- P Abb. 1: Prinzip des Rontgenstrahl-Schattenmikroskops. K = Kathode; A = Anode; L = Elektronenlinse; AK = Antikathode; 0 = Objekt; P = Photoplatte. tat erhalt, und damit zugleich ein Objekt von auren her recht nahe an die punktformige Rontgenquelle gebracht werden kann. Man erhalt dann in einer relativ kurzen Kamera eine starke geometrische VergroBerung (Abb. 1). Es wurden vorzugsweise Kupfer- oder Wolfram-Antikathoden benutzt; aher auch Silber und Aluminium wurden versucht. Die verwendeten Folien waren 1 bis 10,u dick..) Vortrag auf der 5. Jahrestagung der Dt. Ges. f. Elektronenmikroskopie in Innsbruck 1953; vgl. a. PHYS. VERH. 4, 114 (1953). 1) A. E n g s t r o m, Progress in Biophysics (London, Butterworth), 164 (1950). 2) P. K i r k p a t r i c k und A. V. B a e z, 3. OPT. SOC. AMER. 38, 766 (1948). 3) V. E. C 0s s 1 e t t und W. C. Nix o n, NATURE 168, 24 (1951); J. APPL. PHYS. 24, 616 (1953). 4) M. v. A r d e n n e, NATURWISS. 27, 485 (1939). 549

2 2. Beschreibung der Apparatur Mit einer einstufigen elektronenoptischen Verkleinerung lart sich bereits ein Brennfleck von weniger als 1 erzielen. Aus experimentelien Griinden ist es jedoch bequemer, zwei magnetische Linsen zu benutzen, deren eine als Kondensor dient. Auf diese Weise 1aRt sich die effektive Entfernung und die GroOe der Elektronenquelle variieren. Abb. 2 zeigt den Aufbau der Apparatur. Das Vakuumrohr reicht bis zwischen die Polschuhe der zweiten magnetischen Linse und besitzt hier einen Auslaufer mit dunner Wandung und mit einem aureren Durchmesser von 5 mm. An dessem Ende befindet sich das Antikathodenfenster. Der Objekttrager kann gegen das Fenster vorgeschoben und auch quer dam auf einem Kreuztisch bewegt werden, wie in einem gewohnlichen Mikroskop. Die Brennweite der Objektivlinse wird auf ihren kleinsten Wert konstant gehalten (2mm). Die Linsenstarke des Kondensors kann verandert werden, um die GroRe des Brennfleckes zu regulieren. Es gelang, einen Elektronenstrom von 5,uA in einem Brennfleck von zu konzentrieren. Der Durchmesser des kleinsten bisher erzielten Brennflecks betrug ungefahr 0,4 p. Einer weiteren Konzentrierung wird zur Zeit durch den Astigmatismus der Objektivlinse eine Grenze gesetzt. Abb. 2: Langsschnitt durch das Rontgenstrahl-Schattenmikroskop.- 5) V. E. C 0 S S 1 e t t, PROC. PHYS. SOC. B 65, 782 (1952). Bei so kleinen Brennflecken wird der Antikathode insgesamt nur wenig Energie zugefuhrt, soda8 keine Kuhlung notwendig ist. Nimmt die GroRe des Brennfleckes ab, so werden die Bedingungen fur den WarmeabfluO, welche vornehmlich durch das Verhaltnis des Umfanges zur Flache bestimmt sind, vorteilhafterj). 1st der Brennfleck grob, so kann verhaltnismafiig leicht ein Loch in die Antikathode gebrannt werden. Jedoch wird bei kleinem Brennfleck die spezifische Belastung der Antikathode sehr groo. 5,uA Elektronenstrom bei 1,u Brennfleckdurchmesser und 10 kv Spannung bedeuten nur 0,5 W, aber eine Belastung von fast 100 kw/mm2. Auf diese Weise entsteht also eine auberst feine Rontgenstrahlquelle von grol3er Intensitat. 550

3 3. Ergebnisse Bisher sind meist biologische Objekte aufgenommen wordeng); es wurden aber auch dunne Schichten von Legierungen mikrophotographiert. In Abb. 3 wird ein Silbergitter gezeigt, welches 60 Maschenimm besitzt, und dessen Drahte 2,5 bzw. 3,5,u dick sind. Die Auflosungsgrenze liegt hier Abb. 3: Rontgenmikroaufnahme eines Silbernetzes, 1400fach (60 Maschen/mm) unterhalb von 1 p. In Abb. 4 ist die Aufnahme eines Insektes wiedergegeben. Man kann sehr feine Einzelheiten ebenso gut wie mit einem lichtoptischen Mikroskop bester Auflosung erkennen. Der Wasserinhalt kleiner lebender Insekten von ungefahr 1 mm GroDe ist so betraichtlich, dao Rontgenstrahlen von 10 kv schon zu stark gestreut werden. Man bekommt bessere Resultate, wenn man die Objekte bei tiefer Temperatur trocknet, wie dies mit dem Objekt von Abb. 4 geschehen ist. Ferner wurden auch Schnitte von biologischen Geweben untersucht. Da die Rontgenstrahlung Materieschichten bis zu fast 1 mm zu durchdringen vermag, kann man noch etwas sehen, besonders wenn dem Objekt schwere Elemente (wie Barium) injiziert worden sind. So wurden z. B. ganz feine Kapillaren in Schnitten von Lungengeweben sichtbar gemacht. Das hier benutzte Rontgenstrahlverfahren hat zwei deutlirhe Vorteile gegenuber der lichtoptischen Mikroskopie, wenn dichtere Materialien zu untersuchen sind: Die Durchsichtigkeit und die grone Tiefenscharfe. Die letztere ist so grofi, dad sich leicht Stereoaufnahmen herstellen lassen, wenn man das Objekt bei der zweiten Aufnahme ein klein wenig verschiebt. 6) V. E. C o ssle t t und W. C. N i xon, PROC. ROY. SOC. B 140, 422 (1952). 55 1

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5 sollte es uns gelingen, eine Rontgenstrahlquelle zu erhalten, welche nur (i,l,u oder vielleicht sogar nur 0,05,~i (500 A) gror ist. Jedoch werden die hierbei auftretenden technischen Probleme sehr schwierig sein, weil die Folie den Druck einer Atmosphare aushalten mur. Die zweite Schranke ist wie in der Lichtoptik durch das Auftreten der Fresnel'schen Beugung bestimmt. Um den ersten Beugungsring kleiner zu machen als die Quelle (d), mur das Objekt sehr nahe an diese herangebracht werden. Dabei gilt naherungsweise die Beziehung d = Vls.2, worin b den Abstand vom Objekt zur Quelle und I. die Wellenlange bedeutet. Sol1 also ein hohes Auflosungsvermogen erzielt werden, so mur ein Objekt bis auf 10 p an die Quelle herangebracht werden; aber in jedem F'alle mur ein Objekt dunner als 10 p sein, wenn die inneren Einzelheiten bis auf 0,l,u oder darunter sichtbar sein sollen. Eine weitere Einschrankung stellt die Belichtungsdauer dar. Zur Zeit benotigen wir Belichtungszeiten von '12 bis 10 min, je nach Abstand und damit anfanglicher VergroRerung. Die Belichtungszeit wird der BreiinfleckgroRe ungefahr proportional sein, weil man die Apertur verringern mur, um bei Verkleinerung der Quelle die spharische Aberration herabzusetzen; und das bedeutet Verringerung der Energiezufuhr. Urn annehmbare Belichtungszeiten bei hoher Auflosung zu bekommen, kann man die Kamera verkurzen; jedoch gibt es auch hier pine Grenze, die zu uberschreiten nicht mehr zweckmaaig ist. Hiernach kann man die Belichtungszeit nur dadurch verbessern, dab man eine Kathode von hoher spezifischer Emission verwendet. Es ist moglich, dar eine Wolfram-Punkt-Kathode, wie sie von E. W. M u 11 e r in seinen Feld-Elektronen-Mikroskopen verwendet wird, auch fur diesen Zweck nutzlich sein wurde. Die letzte Schranke ist durch den Bildkontrast gegeben. Denn selbst bei einer Auflosung von 0,05,u ist die Absorption von Rontgenstrahlen in biologischen Stoffen entsprechender Dicke ganz unzureichend, um einen beobachtbaren Kontrast zu liefern. Es wird notwendig sein, das Material zu iarben oder schwere Elemente zu injizieren. Wenn das nicht moglich ist, mur man zu groreren Wellenlangen der Rontgenstrahlen ubergehen. In diesem Spektralbereich ist die Absorption der dritten Potenz der Wellenlange proportional. 5. Zusammenfassung Es scheint praktisch moglich zu sein, die Auflosungsgrenze bis auf 0,05,U (500 A) zu bringen, wenn wir unsere Apparatur verbessern. Diese Auflosungsgrenze wurde noch etwas gunstiger liegen als diejenige des UV- Mikroskops. Hingegen scheint es sehr schwierig zu sein, eine Auflosung zu erzielen, welche auch nur annahernd so gut ist wie diejenige des Elektronenmikroskops. Selbst eine Auflosungsgrenze von 100 A durfte hinsichtlich der Belichtungszeit und des Bildkontrastes sowie auch wegen des hierbei er orderlichen sehr kleinen Brennfleckdurchmessers Sorge machen. Aber immerhin ist der Versuch der Muhe wert, eine moglichst hohe Auflosung zu erreichen, weil es eine grol3e Anzahl von Problemen gibt, zu deren Losung sich die Rontgenstrahl-Methode als rasher und bequemer erweisen durfte als lichtoptische oder elektronenmikroskopische Verfahren.