Röntgenmikroskopie

Mit einem Röntgenmikroskop werden vergrößerte Bilder einer mit Röntgenlicht beleuchteten Probe erzeugt. Man unterscheidet dabei zwei Mikroskop-Grundtypen: abbildende Mikroskope, die das gesamte Bildfeld auf einmal abbilden und Rastermikroskope, die das Bildfeld Punkt für Punkt abtasten. Unter Bildfeld versteht man die Fläche der untersuchten Probe, die von dem Mikroskop abgebildet wird. Bei den abbildenden Mikroskopen wird das komplett beleuchtete Bildfeld zeitgleich auf den Detektor, der aus vielen Pixeln besteht, abgebildet. Bei den Rastermikroskopen beleuchtet ein gut fokussierter, heller Beleuchtungsfleck das Bildfeld immer nur in einem Punkt, der rasterartig über die Oberfläche geführt wird. Der Detektor erfasst die vom jeweils beleuchteten Probenpunkt kommende Gesamtintensität. Das Bild wird aus den so gemessenen Intensitäten berechnet, nachdem die ganze Probe abgerastert worden ist.

Was sind nun die Vorteile eines Röntgenmikroskops gegenüber anderen Mikroskoptypen?

Röntgenstrahlen dringen tiefer in Materie ein als sichtbares Licht. Dadurch können Röntgenmikroskope das Innere von Proben abbilden, die für sichtbares Licht undurchsichtig sind.

Röntgenmikroskope können eine höhere optische Auflösung erreichen als Mikroskope für sichtbares Licht (üblicherweise als "Lichtmikroskope" bezeichnet). Die Wellenlänge von Röntgenlicht ist erheblich kürzer als die von sichtbarem Licht. Somit liegt die durch Beugung bedingte physikalische Grenze der erreichbaren Auflösung bei Röntgenmikroskopen bei deutlich höheren Auflösungen als sie mit Lichtmikroskopen erreichbar ist. Im Vergleich dazu haben Rasterelektronenmikroskope eine noch höherer Auflösung, aber dafür müssen die Proben vakuumfest sein und eine metallisch leitende Oberfläche haben. Lebende Organismen zum Beispiel lassen sich damit  nicht abbilden. Rasterelektronenmikroskope bilden nur die Oberfläche einer Probe ab oder – im Fall von Transmissionsrasterelektronenmikroskopen – die Durchsicht durch eine sehr dünne Schicht. In Tabelle 1 werden einige Eigenschaften unterschiedlicher Mikroskope verglichen.

Tabelle 1: Vergleich der Eigenschaften unterschiedlicher Mikroskoptypen (angegebene Werte nur zur Orientierung)

Abbildende Röntgenmikroskope sind entweder vergrößernde Schattenwurf-Mikroskope (Abbildung 1) oder Mikroskope mit fokussierenden optischen Elementen (Abbildung 2).

Vergrößernde Schattenwurf-Mikroskope

bestehen aus einer möglichst punktförmigen Röntgenquelle 1  oder einer Optik 4, die ein verkleinertes Bild 5 einer Quelle 1 erzeugt, der nahe der Quelle 1 (bzw. nahe dem Bild 5 der Quelle) stehenden Probe 2, einem Detektor, der das Bild 3 der Probe aufzeichnet (Abb. 1) und einer optischen Bank zur Ausrichtung der Komponenten. Eine Beeinflussung der Richtung der Röntgenstrahlen ist in der einfachsten Form dieses Mikroskoptyps nicht nötig.

Die Vergrößerung ist in diesem Aufbau der Quotient L₂ / L₁ mit dem  L₁ und dem Abstand Quelle-Bild L₂. Die erreichbare optische Auflösung hängt hauptsächlich von dem Quelldurchmesser D_Source ab, da mit größerer Quelle die Halbschatten zunehmen und zu unscharfen Bildern führen. Zwei Probenpunkte in einem minimalen Abstand von etwa D_Source können mit diesem Mikroskoptyp aufgelöst werden. Diese Grenze kann mit einer fokussierenden Optik 4 vor der Probe verschoben werden. Die Optik erzeugt ein verkleinertes Abbild der Quelle, welches dann als Quelle für die Schattenprojektion dient. Physikalisch ist die maximal erreichbare Auflösung auch hier durch Beugung begrenzt.

Abb. 1: Schattenprojektions-Mikroskope: mit einer kleinen Quelle 1 (links) und mit Erzeugung eines verkleinerten Abbilds 5 der Quelle 1 (z. B. mit Hilfe einer Fresnel-Zonenplatte) für schärfere Abbildungen (rechts)

Mikroskope mit fokussierenden optischen Elementen

bestehen aus einer Röntgenquelle, eventuell einer Beleuchtungsoptik, einer Probe einer Abbildungsoptik, einem Bilddetektor und einer optischen Bank zur Ausrichtung der Komponenten.

Die Quelle kann eine Röntgenröhre, eine Synchrotronquelle oder eine Plasmaquelle sein. Die Intensität der Quelle bestimmt die Belichtungszeit, die nötig ist, um ein Bild mit gutem Signal-Rausch-Verhältnis aufzunehmen. Je nach Typ des Mikroskops muss die spektrale Verteilung der Photonenenergien zu den optischen Eigenschaften des Mikroskops passen. Meist ist die Beschränkung auf einen kleinen Photonenenergiebereich nötig, damit das Gesamtsystem gut funktioniert.

Die Beleuchtungsoptik dient dazu, so viele Photonen wie möglich auf die Probe zu bringen, um kurze Belichtungszeiten zu erzielen. Meist soll ein rechteckiger Bereich der Probe homogen ausgeleuchtet werden. Die Beleuchtungsoptik muss geeignet sein, das gewünschte Photonenspektrum auf die Probe zu konzentrieren. Außerdem muss jeder Probenpunkt unter bestimmten Winkeln beleuchtet werden, um eine gute Abbildungsqualität des Mikroskops zu erreichen.

Die Probe wird in einem Probenhalter fixiert. Dieser Probenhalter (oder der Tisch auf dem er steht) kann meist motorisiert verfahren werden, um die Probe präzise im Röntgenstrahl positionieren zu können. Dadurch kann der gewünschte Bildbereich gewählt, das Bild scharf gestellt und in manchen Fällen die Vergrößerung eingestellt werden.

Die Abbildungsoptik steht in einem Abstand zur Probe, der größer ist als ihre Brennweite (und bei einer vergrößernden Abbildung geringer als ihre doppelte Brennweite). Sie bildet jeden Probenpunkt innerhalb des Bildfelds auf den entsprechenden Punkt der Bildebene ab. Die Abbildungsoptik muss für die verwendete Phtonenenergie geeignet sein und ihr Eingangsakzeptanzwinkel muss groß genug sein, um das gewünschte Bildfeld abzubilden.

Der Röntgendetektor dient dazu, die Röntgenintensitätsverteilung in der Bildebene in ein sichtbares Bild oder in elektrische Signale umzuwandeln, die auf einem Computermonitor als Bild angezeigt werden. Der Detektor kann also beispielsweise ein fotografischer Film sein, ein Flachdetektor oder ein Szintillatorkristall (der das Röntgenlicht in sichtbares Licht umwandelt) in Kombination mit einer CCD-Kamera, die das sichtbare Licht registriert.

Eine starre optische Bank, auf der die optischen Komponenten zueinander justiert werden, ist notwendig zum Erreichen einer hohen optischen Auflösung.

Abb. 2: Skizze eines Beispielaufbaus eines abbildenden Röntgenmikroskops für harte Röntgenstrahlung unter Verwendung von refraktiven Röntgenlinsen ©01

Rasternde Röntgenmikroskope bestehen aus einer Röntgenquelle, einer Optik, die einen intensiven, möglichst kleinen Brennfleck auf der Probe erzeugt, einem Probenhalter, der die Rasterbewegung erzeugt, einem Detektor, der den einfallenden Photonenfluss missti und einer optischen Bank, auf der die optischen Komponenten justiert sind.

Die Quelle und die optische Bank haben die gleichen Funktionen wie die entsprechenden Komponenten bei einem abbildenden Mikroskop.

Der Brennfleck auf der Probe kann zum Beispiel mit einer Kapillaroptik, einer Frenel-Zonenplatte, einer refraktiven Röntgenlinse oder einer Spiegeloptik erzeugt werden. Die verwendete Optik muss vor allem möglichst viele Photonen in einen möglichst kleinen Brennfleck auf der Probe bringen. Wenn die Probe relativ dick ist, sollte die Optik einen fokussierten Strahl mit einer möglichst langen Strahltaille erzeugen. Ist die Strahltaille des Strahls mit seiner Doppelkonusform sehr kurz, sinkt die Bildqualität.

Der Tisch mit dem Probenhalter bewegt die Probe mäanderförmig durch den Strahl, bis das ganze Bildfeld Linie für Linie abgerastert ist. Die dabei benötigte Schrittweite hängt von der gewünschten Bildauflösung ab. Als Richtwert sollte die Schrittweite etwa dem halben Durchmesser des Brennflecks entsprechen, um die bestmögliche Bildqualität zu erreichen. Die Position des Tisches muss über die gesamte Dauer einer Aufnahme mit einer Genauigkeit bekannt sein, die höher ist als die Schrittweite, um später das Bild aus den lokal gemessenen Intensitäten rekonstruieren zu können.

Bei diesem Typ von Röntgenmikroskop kann ein Röntgendetektor eingesetzt werden, der nicht ortsauflösend zu sein braucht, z. B. eine pin-Diode oder ein Szintillationsdetektor. Gegenüber abbildenden Röntgenmikroskopen ist das ein Vorteil, da diese teure ortsauflösende, rauscharme Detektoren benötigen.

Abb. 3: Skizze eines Beispielaufbaus eines rasternden Röntgenmikroskops unter Verwendung einer Fresnel Zonenplatte (mit den dazugehörigen Blenden zur Unterdrückung unerwünschter Beugungsordnungen)