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JP3317541B2 - X-ray microscope - Google Patents
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JP3317541B2 - X-ray microscope - Google Patents

X-ray microscope

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JP3317541B2
JP3317541B2 JP05241093A JP5241093A JP3317541B2 JP 3317541 B2 JP3317541 B2 JP 3317541B2 JP 05241093 A JP05241093 A JP 05241093A JP 5241093 A JP5241093 A JP 5241093A JP 3317541 B2 JP3317541 B2 JP 3317541B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、軟X線領域のX線を用
いて生体サンプル等の試料の透過X線顕微鏡像を撮像す
る、X線顕微鏡に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an X-ray microscope for taking a transmission X-ray microscope image of a sample such as a biological sample using X-rays in a soft X-ray region.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、X線光源やX線光学素子の研究開
発が進んでおり、それらを応用するシステムの1つとし
てX線顕微鏡が提案されている。このようなX線顕微鏡
としては、ウォルタ型の斜入射光学系や、回折を利用し
たフレネルゾーンプレートや、2枚の球面鏡に多層膜を
コーティングしたシュワルツシルド型の直入射光学系等
の、多種類の結像素子を利用した顕微鏡システムが提案
されている。このようなX線顕微鏡において、特に軟X
線を用いるものは、電子線を用いる場合に比べて生体試
料に与えるダメージが少ないため生体を生きたまま、無
染色、高分解能で観察可能であり、最近になって生物顕
微鏡への応用が注目されるようになり、生物分野のニー
ズが大きくなってきている。
2. Description of the Related Art In recent years, research and development of X-ray light sources and X-ray optical elements have been progressing, and an X-ray microscope has been proposed as one of systems that apply them. There are many types of such X-ray microscopes, such as a Walta type grazing incidence optical system, a Fresnel zone plate using diffraction, and a Schwarzschild type direct incidence optical system in which two spherical mirrors are coated with a multilayer film. There has been proposed a microscope system using an imaging element. In such an X-ray microscope, especially soft X
In the case of using an electron beam, damage to a biological sample is less than that in the case of using an electron beam, so that it is possible to observe the living body without staining and with high resolution without a living organism. And the needs in the biological field are growing.

【0003】軟X線領域の中では特に、λ=43.7Å
〜23.6Åの波長領域(いわゆる「水の窓」の波長領
域)は、炭素および窒素によく吸収され、かつ酸素およ
び水素より成る水分子に対して高い透過率を有している
ことから、主な構成要素が炭素であるタンパク質(生体
組織等)の透過顕微鏡像を水中であっても良好なコント
ラストで観察することができる。現在、各研究機関で
は、λ=43.7Å〜23.6Åの波長領域で高いスペ
ックを有する光学素子、光源、検出器等の開発を進めて
いる。
In the soft X-ray region, in particular, λ = 43.7 °
The wavelength region of 2323.6 ° (the wavelength region of the so-called “water window”) is well absorbed by carbon and nitrogen and has a high transmittance to water molecules composed of oxygen and hydrogen. A transmission microscope image of a protein whose main constituent is carbon (such as a living tissue) can be observed with good contrast even in water. At present, research institutes are developing optical elements, light sources, detectors, and the like having high specifications in a wavelength range of λ = 43.7 ° to 23.6 °.

【0004】上記波長領域は、上述のように生体観察用
に適しているが、この波長領域において高いスペックを
有する光学素子等を製作するためには以下の問題点があ
り、その第1の問題点は、特に上記波長域において優れ
た特性を有するX線多層膜反射鏡やフィルタを製作する
のが後述するように難しいことである。すなわち、高い
反射率を有する多層膜反射鏡を設計する際には、可能な
限り屈折率の差が大きい2種類の物質を交互に堆積する
必要があるが、上記波長領域ではいかなる物質も屈折率
が1に近くなるため、屈折率の差が大きくなるように2
種類の物質を選択することが困難である。ここで、Ni
/Sc、Ni/Ti等、多少の反射率を期待し得る物質
を用いることも考えられているが、その場合、蒸着する
際に結晶化しやすいため均一に製膜するのが困難である
上に、現行の製膜技術においてはλ=43.7Å〜2
3.6Åの波長領域で直入射反射鏡を製作しようとする
と多層膜の1周期が20Å以下となって多層膜自体の製
作が困難になる。また、この波長領域は、炭素のX線に
対する吸収率が高くなるので有機材料をフィルタとして
用いることができず、フィルタ材料の選択範囲が狭い。
したがって、X線顕微鏡システムにおいて、何らかの形
でX線多層膜鏡やフィルタを利用することが構成上避け
られないことから、上記多層膜鏡やフィルタの問題点が
上記波長域の軟X線を利用するときの障害となる。
The above wavelength region is suitable for living body observation as described above. However, in order to manufacture an optical element having high specifications in this wavelength region, there are the following problems. The point is that it is difficult to manufacture an X-ray multilayer mirror or filter having excellent characteristics particularly in the above wavelength range, as described later. In other words, when designing a multilayer mirror having a high reflectance, it is necessary to alternately deposit two types of substances having a large difference in refractive index as much as possible. Is close to 1, so that the difference in refractive index becomes large.
It is difficult to select the type of substance. Where Ni
It is also considered to use a material that can be expected to have some reflectance, such as / Sc and Ni / Ti, but in that case, it is difficult to form a uniform film because it is easy to crystallize during vapor deposition. And λ = 43.7 ° to 2 in the current film forming technology.
If it is attempted to manufacture a direct-incidence mirror in the wavelength range of 3.6 °, one cycle of the multilayer film becomes 20 ° or less, and it becomes difficult to manufacture the multilayer film itself. Further, in this wavelength region, an organic material cannot be used as a filter because carbon has a high absorptivity for X-rays, and the selection range of the filter material is narrow.
Therefore, in the X-ray microscope system, the use of the X-ray multilayer mirror or the filter in some form is unavoidable from the viewpoint of the configuration, and the problem of the multilayer mirror or the filter is that the soft X-ray in the above wavelength range is used. An obstacle to doing so.

【0005】また仮に、上記第1の問題点を解決して生
体の透過顕微鏡像の撮像に最適な上記波長域のX線を結
像し得る光学系を実現したとしても、以下に述べるよう
に生体サンプルの観察時に、吸収によるコントラスト低
下の、第2の問題点が発生する。すなわち、生体サンプ
ルの軟X線吸収率は、サンプルの厚み、サンプル内に存
在する炭素の密度および使用するX線の波長によって決
定されるため、炭素密度が高くかつ厚い生体サンプルを
観察する場合には、生体サンプルに入射したX線の大部
分は吸収されてしまい、得られる生体透過顕微鏡像は、
全体的に暗くかつコントラストの無いものになってしま
う。逆に、炭素密度が低くかつ薄い生体サンプルを観察
する場合には、生体サンプルに入射したX線の大部分は
透過してしまい、得られる生体透過顕微鏡像は、全体的
に明るくかつコントラストの無いものになってしまう。
[0005] Even if the first problem is solved to realize an optical system capable of forming X-rays in the above-mentioned wavelength range which is optimal for capturing a transmission microscope image of a living body, as described below, When observing a biological sample, a second problem of a decrease in contrast due to absorption occurs. That is, the soft X-ray absorption of a biological sample is determined by the thickness of the sample, the density of carbon present in the sample, and the wavelength of the X-ray used. Means that most of the X-rays incident on the biological sample are absorbed, and the obtained biological transmission microscope image
The whole image is dark and has no contrast. Conversely, when observing a biological sample having a low and low carbon density, most of the X-rays incident on the biological sample are transmitted, and the obtained biological transmission microscope image is bright and has no contrast as a whole. It becomes something.

【0006】上記コントラストの問題の対策としては、
生体サンプル内の炭素密度を人為的に変化させるのは不
可能なので、生体サンプルの厚みを調整するか、あるい
はλ=43.7Å〜23.6Åの波長領域内で使用する
X線の波長を調整する方法が考えられる。ここで、観察
対象の生体サンプルの厚みを調整する方法は、ミクロト
ーム等の熟練を要する精密加工機を用いてサンプルを切
断し、試行錯誤によって最適なサンプル厚を決定する必
要があり、実用的ではない。また、使用するX線の波長
を調整する方法は、ゾーンプレートやシュワルツシルド
型光学系等の波長分散性を有する光学素子を使用する場
合に、光学素子の大幅な設計変更やレイアウト変更が避
けられず、現実的ではない。
As a measure against the above-mentioned contrast problem,
Since it is impossible to artificially change the carbon density in the biological sample, the thickness of the biological sample is adjusted, or the wavelength of the X-ray used within the wavelength range of λ = 43.7Å to 23.6Å is adjusted. There is a way to do it. Here, the method of adjusting the thickness of the biological sample to be observed requires cutting the sample using a precision processing machine requiring skill such as a microtome, and determining the optimal sample thickness by trial and error. Absent. Also, the method of adjusting the wavelength of the X-ray to be used can avoid a significant design change or layout change of the optical element when using an optical element having wavelength dispersion such as a zone plate or a Schwarzschild type optical system. Not realistic.

【0007】現在、上記方法とは異なる方法として、λ
=43.7Å〜23.6Åの波長領域以外の領域(例え
ばλ=65〜43.7Åの波長領域)のX線を使用して
コントラストが非常に高く、かつ特定のタンパク質の分
子の顕微鏡像を選択的に得られる方法が提案されてお
り、その原理を図6および図7によって説明する。図6
(a)〜(f)は夫々、炭素原子がX線を吸収する際の
電子の状態の遷移を経時的に表わしており、同図(a)
は基底状態の炭素原子の電子配列を示している。この状
態からX線照射により1S電子を電離させると、第1遷
移により同図(b)に示すように炭素原子は1S軌道に
空孔を残した状態になる。この状態は同図(c)に示す
ようにエネルギー的に極めて不安定であるため、2P電
子が1S軌道に遷移する第2遷移により同図(d)に示
す安定状態になる。さらに、炭素原子が例えばタンパク
質等の分子の構成要素である場合には、同図(e)に示
すように2P軌道に空孔を生じた状態になっているの
で、炭素原子は第3遷移により周囲の元素等から電子を
捕獲し、同図(f)に示すように当初と同一の基底状態
に復帰する。このような遷移の過程において、通常は第
1遷移による吸収を利用してタンパク質の透過顕微鏡像
を撮像して観察するが、その際にX線波長が炭素の吸収
端波長よりも長いと、X線がタンパク質に吸収されない
ため、得られる透過顕微鏡像のコントラストが極端に劣
化する。
At present, as a method different from the above method, λ
= X-rays in a region other than the wavelength region of 43.7 ° to 23.6 ° (for example, a wavelength region of λ = 65 to 43.7 °) have a very high contrast, and a microscopic image of a specific protein molecule is obtained. A method that can be selectively obtained has been proposed, and its principle will be described with reference to FIGS. 6 and 7. FIG.
(A) to (f) respectively show the transition of the state of the electron when the carbon atom absorbs the X-ray with time, and FIG.
Indicates the electronic arrangement of carbon atoms in the ground state. When 1S electrons are ionized by X-ray irradiation from this state, the carbon atoms become vacant in the 1S orbital as shown in FIG. Since this state is extremely unstable in terms of energy as shown in FIG. 3C, the stable state shown in FIG. 4D is obtained by the second transition in which the 2P electrons transition to the 1S orbit. Further, when the carbon atom is a constituent element of a molecule such as a protein, for example, as shown in FIG. 3E, a vacancy is generated in the 2P orbital, so that the carbon atom is changed by the third transition. Electrons are captured from surrounding elements and the like, and return to the same ground state as the initial state as shown in FIG. In the course of such a transition, a transmission microscope image of a protein is usually imaged and observed using absorption by the first transition. At this time, if the X-ray wavelength is longer than the absorption edge wavelength of carbon, X Since the lines are not absorbed by the protein, the contrast of the obtained transmission microscope image is extremely deteriorated.

【0008】ここで、上記遷移の順序を逆にした場合に
ついて考察してみると、以下に述べるようにX線波長が
炭素の吸収端波長よりも長い場合であってもコントラス
トの極めて良好な透過顕微鏡像を撮像することができ
る。すなわち、まず、図7(a)に示す基底状態から上
記第3遷移の逆過程により2P電子を電離または励起さ
せて同図(b)の電子状態を実現する。次に、この状態
から上記第2遷移の逆過程により同図(c)に示すよう
にX線によって1S電子をまだ空いている2P軌道に励
起する。この遷移過程は、炭素の吸収端波長よりも低い
光子エネルギーのX線(つまり炭素の吸収端波長よりも
長波長のX線)により実現可能であり、この遷移過程を
経た後は同図(d)に示す状態になる。
Considering the case where the order of the above-mentioned transition is reversed, as described below, even when the X-ray wavelength is longer than the absorption edge wavelength of carbon, transmission with extremely good contrast is achieved. A microscope image can be taken. That is, first, 2P electrons are ionized or excited from the ground state shown in FIG. 7A by the reverse process of the third transition to realize the electronic state shown in FIG. 7B. Next, from this state, 1S electrons are excited by X-rays to the still free 2P orbit by the reverse process of the second transition as shown in FIG. This transition process can be realized by X-rays having a photon energy lower than the absorption edge wavelength of carbon (that is, X-rays having a longer wavelength than the absorption edge wavelength of carbon). ).

【0009】この状態は、上記第1遷移により基底状態
から直接1S電子を電離させた図6(b)の場合と全く
同一になるが、この方法において電子を電離または励起
させるのに要するエネルギーは数eV〜20eV(波長
に換算すると100nm〜300nm)程度であるの
で、紫外線レーザ等を利用することができる。一方、1
S電子を2P軌道に励起するために要するエネルギーは
電離させる場合よりも数eV〜20eV程度低い値にな
る。したがって、基底状態の炭素原子の2P電子を電離
する過程と、1Sの電子を2P軌道に励起する過程の2
段階の過程により、炭素の吸収端波長よりも長い波長の
X線を用いた場合にもタンパク質の透過顕微鏡像を得る
ことができる。
This state is exactly the same as that shown in FIG. 6B in which 1S electrons are directly ionized from the ground state by the first transition, but the energy required to ionize or excite electrons in this method is as follows. Since it is about several eV to 20 eV (100 nm to 300 nm in terms of wavelength), an ultraviolet laser or the like can be used. Meanwhile, 1
The energy required to excite the S electrons into the 2P orbital is about several eV to 20 eV lower than in the case of ionization. Therefore, there are two processes of ionizing the 2P electrons of the carbon atom in the ground state and exciting the 1S electrons to the 2P orbit.
Through the process of the step, even when X-rays having a wavelength longer than the absorption edge wavelength of carbon are used, a transmission microscope image of the protein can be obtained.

【0010】上記遷移の順序を逆にした方法は、J.H.Kl
ems によって下記の優位性を定量的に確認されている
(J.K.Klems Phys.Rew Vol 43 (1991) p2041〜2045参
照)。第1に、炭素吸収端波長よりも長い波長のX線を
利用できるので、多層膜を製作する際に、光学定数が優
れかつ製膜しやすいW/C等の材料が選択可能であり、
しかもこれらの材料はその性質等の研究が進んでおり使
用実績もある。第2に、タンパク質の種類により,2P
電子の電離または励起エネルギーが異なるので、特定の
タンパク質の炭素原子のみを選択的に電離または励起す
ることができる。さらに、その電離に続く1Sから2P
への電子遷移のエネルギーが量子的に一義的に決まるこ
とから、この大きさの光子エネルギーを有するX線をプ
ローブとすることにより、特定のタンパク質の透過顕微
鏡像を観察することができる。その際、コントラストを
決める炭素のX線に対する励起断面積は図8に示すよう
な特性を示し、λ=43.7Å〜23.6Åの波長領域
を用いる従来の方法に比べて1桁以上高くなる。
The method of reversing the order of the above transition is described in JHKl
The following advantages are quantitatively confirmed by ems (see JKKlems Phys. Rew Vol 43 (1991) p2041-2045). First, since X-rays having a wavelength longer than the wavelength of the carbon absorption edge can be used, W / C and other materials having excellent optical constants and easy film formation can be selected when a multilayer film is manufactured.
In addition, research on the properties and the like of these materials has been advanced, and they have been used. Second, depending on the type of protein, 2P
Since the ionization or excitation energies of the electrons are different, only the carbon atoms of a specific protein can be selectively ionized or excited. Furthermore, 1S to 2P following the ionization
Since the energy of the electron transition to is uniquely determined in a quantum way, a transmission microscope image of a specific protein can be observed by using an X-ray having photon energy of this magnitude as a probe. At that time, the excitation cross-section of carbon, which determines the contrast, with respect to X-rays has a characteristic as shown in FIG. 8, and is higher by one digit or more than the conventional method using the wavelength region of λ = 43.7 ° to 23.6 °. .

【0011】上述した原理を用いる方法は、今までに提
案されている従来のX線顕微鏡システムに若干の変更を
加えることにより容易に実現することができる。すなわ
ち、従来のX線顕微鏡は、図9の基本概念図に示すよう
に、光源1、集光レンズ2、サンプル3、対物レンズ
4、フィルタ5および検出器6を同一光路上に配置して
成る。この中で使用する対物レンズとしては、一般に、
ゾーンプレートやシュワルツシルド光学系等の波長分散
型と、ウォルタ型のような白色光を集光する斜入射鏡型
との2種類に分かれるが、白色光源およびウォルタ型対
物レンズを用いるシステムの場合、検出器に至る光路中
に分光器を設ける必要がある。また、検出器としては、
マイクロチャンネルプレート(MCP)やCCD等の撮
像素子が使用されるが、白色光源を使用する場合には、
紫外領域より長い波長の迷光をカットするためにBe等
の薄膜フィルタを設けるのが一般的である。なお、上記
光学系は真空容器内に収納される。
A method using the above-described principle can be easily realized by making some modifications to the conventional X-ray microscope system proposed so far. That is, the conventional X-ray microscope has a light source 1, a condenser lens 2, a sample 3, an objective lens 4, a filter 5, and a detector 6 arranged on the same optical path as shown in the basic conceptual diagram of FIG. . As the objective lens used in this, generally,
Wavelength dispersion type such as zone plate and Schwarzschild optics, and oblique incidence mirror type that condenses white light such as Walta type are divided into two types.In the case of a system using a white light source and a Walta type objective lens, It is necessary to provide a spectroscope in the optical path leading to the detector. As a detector,
An imaging device such as a micro channel plate (MCP) or a CCD is used. When a white light source is used,
Generally, a thin film filter such as Be is provided to cut stray light having a wavelength longer than the ultraviolet region. The optical system is housed in a vacuum container.

【0012】このような従来のX線顕微鏡システムに、
J.H.Klems の提案している方法を適用するのは極めて容
易であり、図10の基本概念図に示すように、紫外線光源
8、集光レンズ7および紫外線反射鏡9を追加するだけ
でよい。このシステムは、基本的には、サンプル3およ
び対物レンズ4間に紫外線反射鏡9を挿入したこと以外
は上記従来システムと同一であり、紫外線反射鏡9とし
ては、Be等の薄膜より成り65〜43.7Åの波長領
域で十分な透過率を有しかつ紫外域の光線に対して十分
な反射率を有するものを選択するものとし、それにより
紫外線反射鏡9はX線フィルタとしての機能を有するこ
とになる。このシステムにおいて図6の第2遷移の逆過
程に対応する光子エネルギーのX線を用いて透過顕微鏡
像を撮像する際には、同時に外部の紫外線光源8からの
紫外線を紫外線反射鏡9で反射させてサンプルに照射す
ることにより、特定のタンパク質の炭素2P電子を電離
または励起することができ、J.H.Klems の提案したX線
顕微法が実現可能となる。この場合、紫外線反射鏡9
は、検出器6にとってはノイズとなる、紫外領域よりも
長い波長の迷光をカットする作用を果たすことになる。
In such a conventional X-ray microscope system,
It is extremely easy to apply the method proposed by JHKlems, and it is only necessary to add an ultraviolet light source 8, a condenser lens 7, and an ultraviolet reflecting mirror 9, as shown in the basic conceptual diagram of FIG. This system is basically the same as the above-mentioned conventional system except that an ultraviolet reflecting mirror 9 is inserted between the sample 3 and the objective lens 4. The ultraviolet reflecting mirror 9 is made of a thin film of Be or the like. A filter having a sufficient transmittance in the wavelength range of 43.7 ° and a sufficient reflectance for ultraviolet rays is selected, whereby the ultraviolet reflecting mirror 9 has a function as an X-ray filter. Will be. In this system, when capturing a transmission microscope image using X-rays of photon energy corresponding to the reverse process of the second transition in FIG. 6, ultraviolet rays from an external ultraviolet light source 8 are simultaneously reflected by an ultraviolet reflecting mirror 9. By irradiating the sample with carbon atoms, carbon 2P electrons of a specific protein can be ionized or excited, and the X-ray microscopy proposed by JHKlems can be realized. In this case, the ultraviolet reflecting mirror 9
Functions to cut off stray light having a wavelength longer than the ultraviolet region, which becomes noise for the detector 6.

【0013】上記システムはさらに、生体サンプルに対
するX線の吸収率を人為的かつ簡易に調整し得るので、
生体サンプルの厚みや使用するX線の波長を調整せずに
透過X線顕微鏡像のコントラストを任意に選択し得る利
点を有している。すなわち、上記方法によれば、生体サ
ンプルのX線吸収率は、図7(c)に示すような紫外照
射を経た後に2P軌道に空孔を有する炭素の数に比例
し、2P軌道に空孔を有する炭素の数は、照射した紫外
線の強度に比例することから、生体サンプルに照射する
紫外線の強度(光量)を調整することにより容易に生体
サンプルのX線吸収率を変化させることができ、その調
整によって最適なコントラストを有する透過X線顕微鏡
像が得られる。なお、紫外線光源によりサンプルに紫外
線照射を行った場合の透過X線顕微鏡像と、紫外線照射
を行なわなかった場合の透過X線顕微鏡像とを夫々撮像
して、それらから差分画像を作成することにより、炭素
以外の元素による吸収に起因するバックグラウンド(ノ
イズ)を除去することが可能になり、純粋な炭素のみの
透過X線顕微鏡像を優れたコントラスト比で得ることが
できる。
[0013] Further, the above system can artificially and easily adjust the absorption rate of X-rays to a biological sample.
This has the advantage that the contrast of a transmission X-ray microscope image can be arbitrarily selected without adjusting the thickness of the biological sample or the wavelength of the X-ray used. That is, according to the above method, the X-ray absorptivity of the biological sample is proportional to the number of carbons having vacancies in the 2P orbit after passing through ultraviolet irradiation as shown in FIG. Since the number of carbons having is proportional to the intensity of the irradiated ultraviolet light, the X-ray absorption of the biological sample can be easily changed by adjusting the intensity (light amount) of the ultraviolet light applied to the biological sample, By the adjustment, a transmission X-ray microscope image having an optimum contrast is obtained. In addition, a transmission X-ray microscope image when the sample is irradiated with ultraviolet light by the ultraviolet light source and a transmission X-ray microscope image when the sample is not irradiated with ultraviolet light are respectively imaged, and a difference image is created therefrom. The background (noise) caused by absorption by elements other than carbon can be removed, and a transmission X-ray microscope image of pure carbon alone can be obtained with an excellent contrast ratio.

【0014】上記J.H.Klems の提案したX線顕微法の原
理を応用した従来例としては、例えば図11および図12に
示すものがある。図11の従来例は、シンクロトロン放射
光源(SOR光源)11をX線光源とし、X線光学系とし
てフレネルゾーンプレートを使用して構成したものであ
り、SOR光源11、分光器12、コンデンサレンズ14、サ
ンプル13、対物レンズ15および検出器16より成るX線光
路中のコンデンサレンズ14および対物レンズ15はフレネ
ルゾーンプレートより成るものを用いている。この従来
例はさらに、サンプル13および対物レンズ15間に厚さ3
000Å程度のBe薄膜19をX線光軸に対し45°をな
すように配置するとともに、顕微鏡外部に紫外線レーザ
光源18、集光レンズ17およびウェッジ10より成る紫外線
光路を設け、紫外線レーザ光をBe薄膜19で反射させて
サンプル13を背面より照射するようにしてある。このと
きBe薄膜19は、検出器(MCP)16に紫外線等の迷光
が入射しないように遮蔽する作用も果たす。
FIGS. 11 and 12 show a conventional example to which the principle of X-ray microscopy proposed by JHKlems is applied. In the conventional example of FIG. 11, a synchrotron radiation light source (SOR light source) 11 is used as an X-ray light source, and a Fresnel zone plate is used as an X-ray optical system. The condenser lens 14 and the objective lens 15 in the X-ray optical path composed of the sample 14, the sample 13, the objective lens 15 and the detector 16 use a Fresnel zone plate. This conventional example further has a thickness of 3 between the sample 13 and the objective lens 15.
A Be thin film 19 of about 000 ° is arranged at 45 ° to the X-ray optical axis, and an ultraviolet light path comprising an ultraviolet laser light source 18, a condensing lens 17 and a wedge 10 is provided outside the microscope, and the ultraviolet laser light is The sample 13 is reflected from the thin film 19 so as to irradiate the sample 13 from the back. At this time, the Be thin film 19 also has a function of blocking stray light such as ultraviolet rays from entering the detector (MCP) 16.

【0015】上記システムは、紫外線光路中に紫外線光
軸と直交方向に移動し得るウェッジ10を設け、このウェ
ッジ10を紫外線に対する吸収率が十分高い物質(例えば
BK7;ガラス)としているので、ウェッジ10を移動す
ることによりウェッジ21を通過する紫外線の光路長を変
化させて、サンプルに照射する紫外線量を調整すること
ができる。したがって、X線照射と同時に光量を調整し
た紫外線をサンプルに照射することにより、上記原理に
基づく良好なコントラスト比でタンパク質の透過X線顕
微鏡像を得ることができる。
In the above system, a wedge 10 which can move in a direction orthogonal to the ultraviolet optical axis is provided in the ultraviolet light path, and the wedge 10 is made of a material having a sufficiently high absorption rate for ultraviolet light (for example, BK7; glass). By moving the light, the optical path length of the ultraviolet light passing through the wedge 21 can be changed to adjust the amount of the ultraviolet light applied to the sample. Therefore, by irradiating the sample with ultraviolet light whose light amount has been adjusted simultaneously with X-ray irradiation, a transmission X-ray microscope image of the protein can be obtained with a good contrast ratio based on the above principle.

【0016】また、図12の従来例は、光源をNd:YA
Gレーザ等を用いたレーザプラズマ光源とし、X線コン
デンサレンズ22をウォルタ型ミラーとし、X線対物レン
ズ24をシュワルツシルド光学系とし、光検出器26をマイ
クロチャンネルプレート(MCP)としてX線光路を構
成したものであり、上記以外の部分の作用は基本的には
上記図9の従来例と同様である。この従来例の上記従来
例との相違点は、X線発生のために集光レンズ30を介し
てターゲット21を撃つNd:YAGレーザ20からのレー
ザ光の一部をハーフミラー27で分岐して利用するように
紫外線光路を構成していることであり、ハーフミラー27
で分岐したレーザ光は、偏光子32で光量を調整され、K
DP結晶25で紫外波長域の4倍高調波に変換されてから
ミラー28、集光レンズ31を経て紫外線反射ミラー29に照
射される。この従来例は、上記従来例に比べて紫外線レ
ーザ等の光源が不要になる利点がある他、上記シュワル
ツシルド光学系に優れた特性を有するW/C多層膜を用
いることにより、波長45Åの直入射において200層
を積層した場合、ほぼ30%の反射率が得られ、明るい
X線光学系を構成することができる。
In the prior art shown in FIG. 12, the light source is Nd: YA.
A laser plasma light source using a G laser or the like, an X-ray condenser lens 22 as a Walter-type mirror, an X-ray objective lens 24 as a Schwarzschild optical system, and a photodetector 26 as a micro-channel plate (MCP) to form an X-ray optical path. The operation of the other parts is basically the same as that of the conventional example shown in FIG. The difference between this conventional example and the above-mentioned conventional example is that a part of the laser light from the Nd: YAG laser 20 that shoots the target 21 via the condenser lens 30 for X-ray generation is branched by the half mirror 27. The ultraviolet light path is configured to use the half mirror 27.
The amount of the laser light branched by is adjusted by the polarizer 32,
After being converted into the fourth harmonic of the ultraviolet wavelength region by the DP crystal 25, the light is irradiated on the ultraviolet reflecting mirror 29 through the mirror 28 and the condenser lens 31. This conventional example has an advantage that a light source such as an ultraviolet laser is not required as compared with the above-described conventional example. In addition, by using a W / C multilayer film having excellent characteristics for the above-described Schwarzschild optical system, a wavelength of 45 ° can be obtained. When 200 layers are stacked at the incidence, a reflectance of approximately 30% is obtained, and a bright X-ray optical system can be configured.

【0017】[0017]

【発明が解決しようとする課題】このような紫外線(励
起用輻射線)および軟X線を照射する軟X線顕微鏡法
(以下、紫外線励起型軟X線顕微鏡法と称す)は、上述
したような優位性を有しているが、その優位性を発揮さ
せるためには、以下の問題が解決されることが前提とな
る。すなわち、X線顕微鏡によって種々の異なる元素を
観察する場合または、同一元素を観察する場合であって
も含まれる物質が異なる場合には、照射すべき紫外線の
波長が夫々異なるので、観察対象(撮像対象)に応じて
波長を変更する必要がある。しかしながら、従来技術に
おいては、試料に照射すべき紫外線の波長を観察対象に
応じて変更する技術の研究はなされていない。したがっ
て、従来技術では上述のような観察対象の変更に対処す
ることができない。
Such soft X-ray microscopy (hereinafter referred to as ultraviolet-excited soft X-ray microscopy) for irradiating ultraviolet rays (excitation radiation) and soft X-rays is as described above. However, in order to exert the superiority, it is premised that the following problems are solved. In other words, when observing various different elements with an X-ray microscope or when observing the same element but containing different substances, the wavelengths of the ultraviolet rays to be irradiated are different from each other. It is necessary to change the wavelength according to the target). However, in the related art, no study has been made on a technique for changing the wavelength of ultraviolet light to be irradiated on a sample according to an observation target. Therefore, the related art cannot deal with the change of the observation target as described above.

【0018】本発明は、上記問題に鑑み、試料に照射す
る励起用輻射線の波長を観察対象に応じて変更する方法
および、その方法を適用したX線顕微鏡を提供すること
を目的とする。
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a method for changing the wavelength of excitation radiation to be applied to a sample according to an object to be observed, and an X-ray microscope to which the method is applied.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段および作用】この目的のた
め、本発明は、試料に対し励起用輻射線および軟X線を
照射して該試料の透過X線顕微鏡像を撮像するX線顕微
鏡において、前記励起用輻射線の波長を撮像対象に応じ
て変更するように構成したことを特徴とする。これによ
り、試料に照射する励起用輻射線の波長が撮像対象を変
更してもその撮像対象に適したものになり、良好な画質
の透過X線顕微鏡像が得られる。
For this purpose, the present invention relates to an X-ray microscope for irradiating a sample with excitation radiation and soft X-rays to capture a transmission X-ray microscope image of the sample. The wavelength of the excitation radiation is changed according to the imaging target. Accordingly, even if the wavelength of the excitation radiation applied to the sample is changed, the wavelength becomes suitable for the imaged object, and a transmission X-ray microscope image with good image quality can be obtained.

【0020】[0020]

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき詳細に
説明する。図1は本発明のX線顕微鏡の第1実施例の構
成を示すシステム図である。この実施例のX線顕微鏡
は、励起用輻射線である紫外線の発生用のレーザ光源を
独立に設けずに、X線発生用のレーザ光源を共用するよ
うにしている。すなわち、Nd:YAGレーザ51が発生
するレーザ光を集光レンズ52で集光してターゲット53に
衝突させることによりX線を発生するレーザプラズマX
線光源と、コンデンサレンズ54、ピンホール板106 、対
物レンズ55、紫外線カットフィルタ61および検出器57を
有しX線を斜めにサンプル58に照射して透過X線顕微鏡
像を得るX線光路とを具えるとともに、Nd:YAGレ
ーザ51からのレーザ光の一部をハーフミラー64で分岐
し、KDP結晶66で紫外波長域の3倍高調波に変換し、
オプティカルパラメトリック発振器(OPO)90で紫外
線波長を調整(変更)し、高調波発生器(SHG)91で
さらに高調波に変換し、ミラー67、集光レンズ60、くさ
び形ガラス(ウェッジ)92を経て紫外線をサンプル58に
斜めに照射する紫外線光路とを具えている。なお、上記
各構成要素の内、Nd:YAGレーザ51、集光レンズ52
および上記紫外線光路上の各構成要素は真空容器外に設
置され、その他の構成要素は真空容器62内に収容され、
真空容器62の、レーザ光および紫外光が透過する部分に
は夫々、透過窓62a および62b が設けられており、光学
窓62b としては、約200nm以上の長波長の紫外線の
透過率が高い物質(ダイヤモンド、蛍石等)を用いる。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a system diagram showing the configuration of the first embodiment of the X-ray microscope of the present invention. In the X-ray microscope of this embodiment, a laser light source for generating X-rays is shared without independently providing a laser light source for generating ultraviolet rays as excitation radiation. That is, the laser beam generated by the Nd: YAG laser 51 is condensed by the condensing lens 52 and collided with the target 53 to generate a laser plasma X which generates X-rays.
A line light source, an X-ray optical path having a condenser lens 54, a pinhole plate 106, an objective lens 55, an ultraviolet cut filter 61 and a detector 57, and irradiating the sample 58 obliquely with X-rays to obtain a transmission X-ray microscope image. And a part of the laser light from the Nd: YAG laser 51 is branched by the half mirror 64 and converted into the third harmonic in the ultraviolet wavelength region by the KDP crystal 66.
The ultraviolet wavelength is adjusted (changed) by an optical parametric oscillator (OPO) 90, and further converted to a higher harmonic by a harmonic generator (SHG) 91, passing through a mirror 67, a condenser lens 60, and a wedge-shaped glass (wedge) 92. An ultraviolet light path for obliquely irradiating the sample 58 with ultraviolet light is provided. In addition, among the above components, the Nd: YAG laser 51 and the condenser lens 52
And each component on the ultraviolet light path is installed outside the vacuum vessel, other components are housed in the vacuum vessel 62,
Transmission portions 62a and 62b are provided in portions of the vacuum vessel 62 through which laser light and ultraviolet light are transmitted, respectively. The optical window 62b is made of a material having a high transmittance of ultraviolet light having a long wavelength of about 200 nm or more ( Diamond, fluorite, etc.).

【0021】上記構成においては、X線光軸と紫外線光
軸とはサンプル照射部において直交し、サンプル58はX
線光軸および紫外線光軸に対し所定の角度(例えば45
°)をなすように傾けられ、サンプル面の法線がX線光
軸と平行にならないように配置されており、この構成は
X線光路上でコンデンサレンズ〜サンプル〜対物レンズ
間の間隔が極めて狭い場合に適している。また、この構
成は、X線発生用のレーザ光源を紫外線発生用にも共用
しているため、コストダウンが可能になる。さらに、後
述する画像信号処理システムにおいてX線照射のタイミ
ングと紫外線照射のタイミングとの同期が取りやすくな
っている。なお、この構成によって得られる、例えば4
5°傾けたサンプルの透過X線顕微鏡像は、検出器57の
結像面にサンプルの1:(1/√2)の斜影像が結像す
るので、取り込んだ画像をデジタル化した後に、ソフト
ウエアまたは別に設けた図示しない演算回路により、座
標変換等を用いて1:1の元の画像に復元する必要があ
り、その復元処理の実施によってX線光学系とサンプル
とが近接した構成でも十分な紫外線をサンプルに照射す
ることが可能になる。
In the above configuration, the X-ray optical axis and the UV optical axis are orthogonal at the sample irradiation section, and the sample 58
A predetermined angle (for example, 45 °) with respect to the line optical axis and the ultraviolet optical axis.
°) so that the normal of the sample surface is not parallel to the X-ray optical axis. This configuration has a very small distance between the condenser lens, the sample, and the objective lens on the X-ray optical path. Suitable for narrow spaces. Further, in this configuration, the laser light source for generating X-rays is also used for generating ultraviolet rays, so that cost can be reduced. Further, in an image signal processing system described later, it is easy to synchronize the timing of X-ray irradiation with the timing of ultraviolet irradiation. Note that, for example, 4
The transmission X-ray microscopic image of the sample tilted by 5 ° forms a 1: (1 / √2) oblique image of the sample on the image forming plane of the detector 57. After digitizing the captured image, It is necessary to restore the original image to 1: 1 using coordinate transformation or the like by using a hardware or a separately provided arithmetic circuit, and even if the X-ray optical system and the sample are close to each other by performing the restoration process, it is sufficient. It is possible to irradiate the sample with an ultraviolet ray.

【0022】次に、各構成要素について説明する。X線
光源としては、コンパクトな構成で白色光源のレーザプ
ラズマ光源を用い、上記コンデンサレンズ54としてはフ
レネルゾーンプレートを用いるものとする。その場合、
フレネルゾーンプレートは波長分散性を持ち、波長毎に
異なる位置にX線を集光するため、サンプル近傍にピン
ホール板を配置すると、所望の波長のX線だけがサンプ
ル上に集光され、それ以外の波長のX線はサンプル上で
ぼけるためピンホールにより蹴ることができ、X線の波
長を選択してサンプルに照射することができる。
Next, each component will be described. As the X-ray light source, a laser plasma light source of a white light source having a compact configuration is used, and as the condenser lens 54, a Fresnel zone plate is used. In that case,
Since the Fresnel zone plate has wavelength dispersibility and focuses X-rays at different positions for each wavelength, if a pinhole plate is placed near the sample, only the X-rays of the desired wavelength will be focused on the sample. X-rays of wavelengths other than the above are blurred on the sample and can be kicked by a pinhole, and the wavelength of the X-ray can be selected and applied to the sample.

【0023】また、上記対物レンズ55としては、以下の
理由によりゾーンプレートを用いるものとする。すなわ
ち、本実施例では励起を適正化するために紫外線波長の
変更(可変制御)を行うので、上記対物レンズ55として
シュワルツシルド光学系を用いた場合、シュワルツシル
ド光学系は設計基準波長以外に対しては反射率が非常に
小さくなるため、X線の波長変動がある程度以上大きく
なると検出器57に達するX線光量が不足してしまう。一
方、ゾーンプレートは、波長に応じて焦点距離が異なる
性質(色収差)を有しているので、炭素を含む物質に応
じて像形成に寄与するX線の波長を変化させることによ
り吸収されるX線の波長変動が生じる際に、その波長変
動がある程度以上大きくなる場合には、図示しない駆動
機構によってゾーンプレートの位置を図1に矢印で示し
たように光軸方向に微調整して検出器57上に形成される
像が焦点ずれしないようにすることができ、上記不具合
は生じない。なお、コンデンサレンズ54として用いるゾ
ーンプレートの位置も必要に応じて微調整を行うものと
する。
As the objective lens 55, a zone plate is used for the following reason. That is, in this embodiment, the wavelength of the ultraviolet light is changed (variable control) to optimize the excitation. Therefore, when the Schwarzschild optical system is used as the objective lens 55, the Schwarzschild optical system is used for wavelengths other than the design reference wavelength. Since the reflectivity becomes extremely small, the X-ray light amount reaching the detector 57 becomes insufficient when the wavelength fluctuation of the X-rays increases to a certain extent or more. On the other hand, since the zone plate has a property (chromatic aberration) having a different focal length depending on the wavelength, the X-ray absorbed by changing the wavelength of X-rays contributing to image formation according to the substance containing carbon is changed. If the wavelength variation of the line becomes larger than a certain extent when the wavelength variation of the line occurs, the position of the zone plate is finely adjusted in the optical axis direction as shown by an arrow in FIG. The image formed on 57 can be prevented from being out of focus, and the above problem does not occur. The position of the zone plate used as the condenser lens 54 is also finely adjusted as needed.

【0024】また、上記OPO90は、図2に示すよう
に、入射側より1/2波長板93、ポラライザ94、ビーム
エクスパンダ95、96、BBO共振ミラー97、BBO結晶
98、BBO共振ミラー99を具えて成る(OPOとして
は、例えば、フランス国のBMI社から市販されている
ものがある)。オプティカルパラメトリック発振(OP
O)とは、広範囲にチューニングし得る光を発振する非
線形光学プロセスであり、非線形光学結晶であるBBO
結晶の温度変化または角度の調整によって連続的に波長
チューニングを行うことができ、短波長側のチューニン
グ範囲は紫外域(400nm)まで及ぶ。また、図1に
示すようにSHG91を併用することにより、チューニン
グ範囲をさらに短波長側に拡大することができ、本実施
例においては広い波長域(200nm〜)の紫外線を得
ることができる。
As shown in FIG. 2, the OPO 90 includes a half-wave plate 93, a polarizer 94, beam expanders 95 and 96, a BBO resonance mirror 97, and a BBO crystal from the incident side.
98, comprising a BBO resonant mirror 99 (for example, an OPO is commercially available from BMI, France). Optical parametric oscillation (OP
O) is a nonlinear optical process that oscillates light that can be tuned over a wide range, and is a nonlinear optical crystal BBO
The wavelength can be continuously tuned by changing the temperature or adjusting the angle of the crystal, and the tuning range on the short wavelength side extends to the ultraviolet region (400 nm). Further, by using SHG91 together as shown in FIG. 1, the tuning range can be further expanded to the shorter wavelength side, and in this embodiment, ultraviolet rays in a wide wavelength range (200 nm or more) can be obtained.

【0025】また、ウェッジ92は、SHG91からミラー
67、集光レンズ60を経て紫外線をサンプル58に照射する
際の紫外線の強度(紫外線量)を調整する素子であり、
紫外線光軸と直交方向(図示矢印方向)に移動すること
によりウェッジを通過する紫外線の光路長(ガラスの厚
み)を変化させて、サンプルに照射する紫外線量を調整
する。ウェッジ92としては、紫外線に対する吸収率が十
分高い物質(例えばBK7;ガラス)を用いる。なお、
紫外線が照射される領域の大きさが問題にならない場合
は、集光レンズ60を紫外線光軸方向に移動し得るように
すれば、フォーカス状態を変化させて紫外線の強度を調
整することができ、その場合、ウェッジ92を省略する。
なお、107 はシャッタである。
The wedge 92 is a mirror from the SHG 91.
67, an element that adjusts the intensity (ultraviolet light amount) of ultraviolet light when irradiating the sample 58 with ultraviolet light through the condenser lens 60;
By moving in the direction orthogonal to the optical axis of the ultraviolet light (in the direction of the arrow in the drawing), the optical path length (glass thickness) of the ultraviolet light passing through the wedge is changed to adjust the amount of ultraviolet light to be applied to the sample. As the wedge 92, a substance (for example, BK7; glass) having a sufficiently high absorptivity to ultraviolet rays is used. In addition,
If the size of the region irradiated with ultraviolet light does not matter, if the condenser lens 60 can be moved in the ultraviolet optical axis direction, the focus state can be changed to adjust the intensity of ultraviolet light, In that case, the wedge 92 is omitted.
Reference numeral 107 denotes a shutter.

【0026】次に、検出器(MCP)57からの画像信号
を処理する、画像信号処理システムを図3によって説明
する。この画像信号処理システムは、X線顕微鏡システ
ム全体を制御するホストコンピュータ71を具えるととも
に、入射したX線をMCP57、フォスファ72で可視化
し、レンズ73を介して透過X線顕微鏡像を撮像するTV
カメラシステム74と、TVカメラシステム74からの2種
類(紫外線を照射したものおよび照射しないもの)の映
像信号をA/Dコンバータ75-1および75ー2でデジタル化
した画像データを夫々格納するフレームメモリ76ー1およ
び76ー2と、フレームメモリ76ー1および76ー2の画像データ
の各画素の差分を取って得られたデジタル差分信号をホ
ストコンピュータ71に入力する差分回路77と、ホストコ
ンピュータ71からの指令信号に基づきフレームメモリ76
ー1および76ー2にデータ出力タイミングのトリガ信号を出
力するデータセレクタ回路78と、ホストコンピュータ71
からの入力信号に基づいてタンパク質等の透過X線顕微
鏡像を表示するCRT79を具えて成り、さらに、X線発
生用のレーザ光源を紫外線発生用に共用できるようにす
るため、ウェッジ92を駆動するウェッジ駆動信号を発生
するウェッジ駆動回路80とを具えている。
Next, an image signal processing system for processing an image signal from the detector (MCP) 57 will be described with reference to FIG. This image signal processing system includes a host computer 71 that controls the entire X-ray microscope system, and a TV that visualizes incident X-rays with an MCP 57 and a phosphor 72 and captures a transmission X-ray microscope image through a lens 73.
Frames for storing image data obtained by digitizing two types of video signals (one with ultraviolet irradiation and one without ultraviolet irradiation) from the camera system 74 and the TV camera system 74 with A / D converters 75-1 and 75-2, respectively. A memory 76-1 and 76-2, a difference circuit 77 for inputting a digital difference signal obtained by taking a difference between each pixel of the image data of the frame memories 76-1 and 76-2 to the host computer 71, and a host computer Frame memory 76 based on command signal from 71
A data selector circuit 78 for outputting a trigger signal for data output timing to the host computer 71 and the host computer 71.
And a CRT 79 for displaying a transmission X-ray microscope image of proteins and the like based on an input signal from the CPU, and further drives a wedge 92 so that a laser light source for generating X-rays can be shared for generating ultraviolet light. A wedge drive circuit 80 for generating a wedge drive signal.

【0027】上記ウェッジ駆動回路80は、ホストコンピ
ュータ71からの指令信号によって制御され、サンプルに
照射される紫外線の強度(光量)が適正になるようにウ
ェッジ92を駆動する。なお、ホストコンピュータ71は、
紫外線の波長を調整(変更)するためにOPO90にOP
O制御信号を出力してOPO90の内部のBBO結晶の温
度または角度を変化させる他、TVカメラシステム74の
トリガ信号およびNd:YAGレーザ51のQスイッチ信
号を出力し、さらにシャッタ107 の開閉制御も行なう。
The wedge drive circuit 80 is controlled by a command signal from the host computer 71, and drives the wedge 92 so that the intensity (light amount) of the ultraviolet light applied to the sample becomes appropriate. The host computer 71
OP to OPO90 to adjust (change) the wavelength of ultraviolet light
In addition to outputting the O control signal to change the temperature or angle of the BBO crystal inside the OPO 90, it also outputs the trigger signal of the TV camera system 74 and the Q switch signal of the Nd: YAG laser 51, and also controls the opening and closing of the shutter 107. Do.

【0028】次に、この第1実施例のX線顕微鏡によ
り、例えば炭素の透過X線顕微鏡像を撮像する場合につ
いて説明する。まず、撮像を開始する前に、表1の中か
ら撮像(観察)対象とする炭素含有物質の物質名(また
はコードナンバー等)を選択して入力しておく。
Next, a case in which a transmission X-ray microscope image of, for example, carbon is captured by the X-ray microscope of the first embodiment will be described. First, before starting imaging, a substance name (or code number or the like) of a carbon-containing substance to be imaged (observed) is selected from Table 1 and input.

【表1】 この入力により、ホストコンピュータ71は、表1に示す
ような対象物質に応じた好適紫外線波長になるように紫
外線波長の自動調整を行う。すなわち、紫外線波長が、
例えば、トリプトファンを観察したい場合には205 〜23
0 nm、チロシンを観察したい場合には250 〜300 nm
になるように、BBO結晶の角度または温度を調整す
る。なお、上記自動調整機能の他、好適紫外線波長の不
明な物質を観察することも有り得るので、マニュアル調
整機能を付加しておくものとする。
[Table 1] With this input, the host computer 71 automatically adjusts the ultraviolet wavelength so as to have a suitable ultraviolet wavelength according to the target substance as shown in Table 1. That is, the ultraviolet wavelength is
For example, if you want to observe tryptophan,
0 nm, 250-300 nm if you want to observe tyrosine
The angle or temperature of the BBO crystal is adjusted so that In addition to the above-mentioned automatic adjustment function, it is possible to observe a substance whose suitable ultraviolet wavelength is unknown. Therefore, a manual adjustment function is added.

【0029】上記調整の完了後、ホストコンピュータ71
は、Nd:YAGレーザ51にQスイッチ信号を出力し、
その信号を受けたNd:YAGレーザ51はレーザ光を発
生する。このレーザ光は集光レンズ52および透過窓62a
を経てターゲット53に衝突し、X線を発生させる。一
方、ホストコンピュータ71は、このX線の発生に同期さ
せて、TVカメラシステム74およびフレームメモリ76ー1
に夫々トリガ信号を出力する。また、シャッタ107 を駆
動して紫外光路を開くとともに、サンプル58に照射され
る紫外線の強度が適正になるようにウェッジ92を駆動す
るための指令信号をウェッジ駆動回路80に発する。これ
により、フレームメモリ76ー1には、紫外線を照射した場
合に得られる映像信号である、当該炭素含有物質の透過
X線顕微鏡像をデジタル化した画像データaが格納され
る。
After completing the above adjustment, the host computer 71
Outputs a Q switch signal to the Nd: YAG laser 51,
The Nd: YAG laser 51 receiving the signal generates a laser beam. This laser light is collected by a condenser lens 52 and a transmission window 62a.
Collides with the target 53 through the above, and generates X-rays. On the other hand, the host computer 71 synchronizes with the generation of the X-rays, and the TV camera system 74 and the frame memory 76-1.
Output a trigger signal. In addition, the shutter 107 is driven to open the ultraviolet light path, and a command signal for driving the wedge 92 is issued to the wedge drive circuit 80 so that the intensity of the ultraviolet light applied to the sample 58 becomes appropriate. As a result, the frame memory 76-1 stores image data a, which is a digitized transmission X-ray microscope image of the carbon-containing substance, which is a video signal obtained when ultraviolet light is irradiated.

【0030】次に、ホストコンピュータ71は、シャッタ
107 を閉じてサンプル58に紫外線が照射されないように
するとともに、上記と同様にしてTVカメラシステム74
およびフレームメモリ76ー2に夫々トリガ信号を出力す
る。これにより、フレームメモリ76ー2には、紫外線を照
射しない場合に得られる映像信号である、当該炭素含有
物質の炭素以外の元素の透過X線顕微鏡像をデジタル化
した画像データbが格納される。
Next, the host computer 71
107 is closed so that the sample 58 is not irradiated with ultraviolet rays, and the TV camera system 74 is
And a trigger signal is output to the frame memory 76-2. Thus, the frame memory 76-2 stores image data b which is a digitized transmission X-ray microscope image of an element other than carbon of the carbon-containing substance, which is a video signal obtained when no ultraviolet light is irradiated. .

【0031】上記フレームメモリ76ー1の画像データは、
最終的に抽出したい炭素の透過X線顕微鏡像にノイズが
加わった信号であり、フレームメモリ76ー2の画像データ
bは、フレームメモリ76ー1の画像データaのバックグラ
ウンド(ノイズ)信号である。したがって、差分回路77
において各画素について両者の差分を取ることにより上
記ノイズが除去されることになり、純粋に炭素の透過X
線顕微鏡像のみを含む差分信号(a−b)が得られる。
この差分信号(画像データ)は、ホストコンピュータ71
からCRT79に出力され、当該炭素含有物質の炭素の透
過X線顕微鏡像が表示される。なお、上記説明ではまず
X線と紫外線とを照射して画像を取り、次いでX線のみ
を照射して画像を取る、という順序にしたが、サンプル
58が紫外線に弱いものである場合などでは、この順序を
逆にするとよい。
The image data of the frame memory 76-1 is
This is a signal obtained by adding noise to a transmission X-ray microscope image of carbon to be finally extracted, and the image data b of the frame memory 76-2 is a background (noise) signal of the image data a of the frame memory 76-1. . Therefore, the difference circuit 77
By taking the difference between the two for each pixel, the above noise is removed, and pure carbon transmission X
A difference signal (ab) containing only a line microscope image is obtained.
This difference signal (image data) is transmitted to the host computer 71.
Is output to a CRT 79, and a transmission X-ray microscope image of carbon of the carbon-containing substance is displayed. In the above description, an image is first obtained by irradiating X-rays and ultraviolet rays, and then an image is obtained by irradiating only X-rays.
This order may be reversed if 58 is sensitive to ultraviolet light.

【0032】また、上記実施例では、紫外線光源を独立
に設けずにX線発生用のYAGレーザ光源を紫外線発生
用に共用しているが、波長可変タイプの紫外線光源を別
に設けてホストコンピュータ71でその出力制御を行う場
合には、紫外線光源としてTi‐サファイアレーザや色
素レーザを用いたり、非常に大がかりになるが、SOR
光源からの射出光を分光器に入力して必要とする紫外線
成分のみを抽出するようにしてもよい。
In the above embodiment, the YAG laser light source for generating X-rays is commonly used for generating ultraviolet light without independently providing an ultraviolet light source. When the output is controlled by using a Ti-sapphire laser or a dye laser as the ultraviolet light source, the scale of the SOR is very large.
The light emitted from the light source may be input to the spectroscope to extract only the necessary ultraviolet component.

【0033】また、上記実施例では、画像処理を直接、
ハードウエアの差分回路77で行うようにしているが、差
分回路を省略して、ホストコンピュータ71がフレームメ
モリ76-1、76ー2から画像データを読み出してソフトウエ
ア上で画像処理を行うようにしてもよい。また、上記実
施例では、X線光路に斜入射型光学系およびゾーンプレ
ートを用いているが、これに限定されるものではなく、
シュワルツシルド光学系等の他の結像光学系を組み合わ
せてX線顕微鏡システムを構成してもよい。
In the above embodiment, the image processing is directly performed.
Although the hardware difference circuit 77 is used, the difference circuit is omitted, and the host computer 71 reads out image data from the frame memories 76-1 and 76-2 and performs image processing on software. You may. Further, in the above embodiment, the oblique incidence optical system and the zone plate are used in the X-ray optical path, but the present invention is not limited to this.
The X-ray microscope system may be configured by combining other imaging optical systems such as the Schwarzschild optical system.

【0034】図4は本発明のX線顕微鏡の第2実施例の
構成を示すシステム図であり、図1と同一の部分には同
一符号を付けて説明を省略する。この実施例は本発明を
走査型X線顕微鏡に適用したものである。この走査型顕
微鏡は、第1実施例のような結像型顕微鏡と異なり、X
線を微小なスポット状に集光してサンプルに照射し、サ
ンプルとビームスポットとを相対的に移動させてサンプ
ル上の所定のエリアからの信号を得て物体像を再生する
ものである。
FIG. 4 is a system diagram showing the configuration of the second embodiment of the X-ray microscope according to the present invention. The same parts as those in FIG. In this embodiment, the present invention is applied to a scanning X-ray microscope. This scanning microscope is different from the imaging microscope as in the first embodiment in that X
A line is condensed into a minute spot and irradiated onto the sample, and the sample and the beam spot are relatively moved to obtain a signal from a predetermined area on the sample to reproduce an object image.

【0035】この実施例ではターゲット53で発生したX
線を紫外光カットフィルタ100 を介して対物レンズとし
てのゾーンプレート101 によりサンプル58上にピンホー
ル板106 を介して微小ビームスポットとして集光し、ゾ
ーンプレート101 をゾーンプレート駆動機構102 により
X線光軸方向に微小移動可能にしている。紫外光カット
フィルタ100 はターゲット53から放射される不必要な紫
外光等がサンプル58に照射されないようにしている。
In this embodiment, X generated at the target 53
The line is condensed as a minute beam spot on the sample 58 via a pinhole plate 106 via a zone plate 101 as an objective lens via an ultraviolet cut filter 100, and the zone plate 101 is irradiated with an X-ray beam by a zone plate driving mechanism 102. It can be slightly moved in the axial direction. The ultraviolet light cut filter 100 prevents unnecessary ultraviolet light or the like radiated from the target 53 from irradiating the sample 58.

【0036】サンプル58はステージ103 に固定され、ス
テージ103 は真空容器内に設けた駆動装置104 により光
軸に垂直なX−Y方向に2次元的に駆動される。サンプ
ル58を透過したX線は検出器57に入射する。なお、走査
型X線顕微鏡ではX線ビームスポットの大きさで定まる
サンプル上の微小点からの信号だけが検出器57で検出さ
れ、サンプルを移動して隣接する微小点からの情報を時
系列的に検出し、これらを合成して物体像を得る。した
がって、検出器57としては多数の画素を持つイメージセ
ンサタイプのものは必要なく、X線を検知できるもので
あればどのようなものでも使用できる。
The sample 58 is fixed to a stage 103, and the stage 103 is two-dimensionally driven in an XY direction perpendicular to the optical axis by a driving device 104 provided in a vacuum vessel. The X-ray transmitted through the sample 58 enters the detector 57. In the scanning X-ray microscope, only the signal from a minute point on the sample determined by the size of the X-ray beam spot is detected by the detector 57, and the sample is moved to obtain information from the adjacent minute point in time series. To obtain an object image. Therefore, an image sensor type having a large number of pixels is not required as the detector 57, and any detector that can detect X-rays can be used.

【0037】この実施例の紫外線光路は、ハーフミラー
64からミラー67までの部分は第1実施例と同一だが、そ
の先の部分が相違する。すなわち、この実施例ではX線
光軸と直交するように配置したサンプル58に紫外線を透
過窓62b を介して斜めから照射するため、ミラーとして
用いた可動ミラー67、ウェッジ92L および集光レンズ60
L を斜めに配置し、サンプル表面を観察するときは可動
ミラー67を図示実線の状態にして、この斜めの紫外線光
路よりピンホール板106 を介してサンプル表面に紫外線
を照射する。また、この実施例では、サンプルを裏返し
にしなくても両面を観察し得るようにするため、サンプ
ル58に関し左右対称になるようにミラー105 、ウェッジ
92Rおよび集光レンズ60R を斜めに配置しており、この
紫外線光路はサンプル裏面を観察するため可動ミラー67
を図示点線のように水平にしたときサンプル裏面に紫外
線を透過窓62c を介して斜めから照射することになる。
なお、ウェッジ92L 、92R を駆動するためウェッジ駆動
装置106 を設けている。
The ultraviolet light path of this embodiment is a half mirror.
The portion from 64 to the mirror 67 is the same as that of the first embodiment, but the portions beyond it are different. That is, in this embodiment, since the sample 58 arranged perpendicular to the X-ray optical axis is irradiated with ultraviolet light obliquely through the transmission window 62b, the movable mirror 67, the wedge 92L and the condenser lens 60 used as mirrors are used.
When observing the sample surface, the movable mirror 67 is placed in a solid line as shown in the figure, and the sample surface is irradiated with ultraviolet light from the oblique ultraviolet light path via the pinhole plate 106. In this embodiment, the mirror 105 and the wedge are symmetrical with respect to the sample 58 so that both sides can be observed without turning the sample upside down.
A 92R and a condenser lens 60R are arranged diagonally, and this ultraviolet light path is used to observe the back of the sample.
Is horizontal as shown by the dotted line in the drawing, ultraviolet rays are radiated on the back surface of the sample obliquely through the transmission window 62c.
Note that a wedge driving device 106 is provided to drive the wedges 92L and 92R.

【0038】上記変更に伴い、画像信号処理システムを
図5のように変更する。この実施例では、1回で画像信
号を取るわけではないので、フォスファ72、レンズ73、
TVカメラ74は不要である。X線検出器57からの出力信
号はゲート回路74を介してA/Dコンバータ75-1,75-2
に供給される。ゲート回路74はサンプルの移動と出力信
号取込みとのタイミングを取るために設けられている。
A/D変換された信号は順次フレームメモリ76-1、76-2
に蓄積され、一画面分揃ったところで次の処理に移行す
る。
With the above change, the image signal processing system is changed as shown in FIG. In this embodiment, since the image signal is not taken at one time, the phosphor 72, the lens 73,
The TV camera 74 is unnecessary. Output signals from the X-ray detector 57 are passed through gate circuits 74 to A / D converters 75-1 and 75-2.
Supplied to The gate circuit 74 is provided for timing the movement of the sample and the capture of the output signal.
The A / D converted signals are sequentially stored in frame memories 76-1 and 76-2.
When one screen is completed, the process proceeds to the next process.

【0039】また、ホストコンピュータ71に制御される
ステージ駆動回路82を設け、ステージ駆動回路82からの
ステージ駆動信号によりステージ駆動装置104 を介して
ステージ103 を駆動する。さらに、ホストコンピュータ
71に制御されるゾーンプレート駆動回路83を設け、ゾー
ンプレート駆動回路83からのゾーンプレート駆動信号を
真空容器62内のゾーンプレート駆動装置102 に入力して
対物レンズであるゾーンプレート101 をX線光軸方向に
駆動する。これによりゾーンプレート101 がターゲット
53から入射されたX線の内の所望の波長のものを集光す
る際に、その焦点がサンプル58上(表側を観察するとき
は図1のサンプル58の左表面の紫外線吸収部、裏面を観
察するときは図1のサンプル58の右表面の紫外線吸収
部)に位置するようになる。なお、ウェッジ駆動回路80
は、ホストコンピュータ71からの指令信号によって制御
され、サンプルに照射される紫外線の強度を適正にする
第1実施例と同様の作用をなすが、制御すべきウェッジ
をウェッジ92L 、92R の中から選択する点が第1実施例
とは相違する。
A stage drive circuit 82 controlled by the host computer 71 is provided, and the stage 103 is driven via a stage drive device 104 by a stage drive signal from the stage drive circuit 82. In addition, the host computer
A zone plate drive circuit 83 controlled by the control unit 71 is provided, and a zone plate drive signal from the zone plate drive circuit 83 is input to a zone plate drive device 102 in the vacuum chamber 62 so that the zone plate 101 as an objective lens is irradiated with X-ray light. Drive in the axial direction. This allows zone plate 101 to be targeted
When condensing a desired wavelength of the X-rays incident from 53, the focal point is on the sample 58 (when observing the front side, the ultraviolet absorbing portion on the left surface of the sample 58 in FIG. When observing, the sample 58 is located at the ultraviolet absorbing portion on the right surface of the sample 58 in FIG. The wedge drive circuit 80
Is controlled by a command signal from the host computer 71 and operates in the same manner as in the first embodiment in which the intensity of the ultraviolet light applied to the sample is adjusted appropriately, but the wedge to be controlled is selected from the wedges 92L and 92R. This is different from the first embodiment.

【0040】この第2実施例は、第1実施例の作用効果
が得られる上に、サンプルを裏返しにする操作を行わず
にそのまま両面を観察することができる利点を有してい
る。この場合、裏面を観察する場合にはピンホール板10
6 を除去してサンプルの裏側に別のピンホール板を配置
するようにしても良いし、あるいはピンホール板の孔を
裏面を観察する場合にも有効光束(X線)および紫外光
を蹴らない程度の大きさにしておけば、別のピンホール
板は不要である。
The second embodiment has the advantage that the operation and effect of the first embodiment can be obtained and that both sides can be observed without performing the operation of turning the sample over. In this case, when observing the back side,
6 may be removed and another pinhole plate may be placed on the back side of the sample, or the effective luminous flux (X-ray) and ultraviolet light are not kicked even when observing the back surface of the hole of the pinhole plate. With a small size, a separate pinhole plate is not required.

【0041】なお、この第2実施例のサンプルの両面を
観察する機構を第1実施例に適用し得ることは勿論であ
る。また、観察対象変更時にOPO90を制御して紫外線
波長を変化させるとサンプルに吸収されるX線波長も変
化するので、上述したゾーンプレート101 の軸方向の位
置の微調整はOPOの制御と同期して自動的に実行する
ようにすることができる(夫々、別個に制御を行うよう
にしてもよい)。
The mechanism for observing both sides of the sample of the second embodiment can be applied to the first embodiment. Also, if the ultraviolet wavelength is changed by controlling the OPO 90 when the observation target is changed, the X-ray wavelength absorbed by the sample also changes. Therefore, the above-described fine adjustment of the axial position of the zone plate 101 is synchronized with the control of the OPO. Automatically (they may be individually controlled).

【0042】なお、以上は励起光として紫外線を用いる
ものについて説明したが、観察対象によっては励起光と
してX線、可視光等、紫外域以外の波長域の光が必要と
なる場合もある。本発明はそのような場合でも当然適用
でき、ケースバイケースで必要な励起光を選べばよい。
The above description has been made on the case where ultraviolet light is used as the excitation light. However, depending on the observation object, light in a wavelength region other than the ultraviolet region, such as X-rays or visible light, may be required. The present invention can naturally be applied to such a case, and the necessary excitation light may be selected on a case-by-case basis.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、試
料に照射する励起用輻射線の波長を撮像対象に応じて変
更するようにしたから、撮像対象を変更して透過X線顕
微鏡像も撮像する場合に、当該撮像対象に適した紫外線
波長が照射されることになり、良好な画質の透過X線顕
微鏡像が得られる。
As described above, according to the present invention, the wavelength of the excitation radiation irradiating the sample is changed according to the object to be imaged. When an image is also taken, an ultraviolet wavelength suitable for the object to be imaged is irradiated, and a transmission X-ray microscope image with good image quality can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のX線顕微鏡の第1実施例の構成を示す
システム図である。
FIG. 1 is a system diagram showing a configuration of a first embodiment of an X-ray microscope according to the present invention.

【図2】第1実施例のオプティカルパラメトリック発振
器の構成を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of an optical parametric oscillator according to a first embodiment.

【図3】第1実施例に用いる画像処理システムの構成を
示す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of an image processing system used in a first embodiment.

【図4】本発明のX線顕微鏡の第2実施例の構成を示す
システム図である。
FIG. 4 is a system diagram showing a configuration of a second embodiment of the X-ray microscope of the present invention.

【図5】第2実施例に用いる画像処理システムの構成を
示す図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of an image processing system used in a second embodiment.

【図6】(a)〜(f)は、X線顕微鏡の原理を説明す
るための図である。
FIGS. 6A to 6F are views for explaining the principle of an X-ray microscope.

【図7】(a)〜(d)は、X線顕微鏡の原理を説明す
るための図である。
FIGS. 7A to 7D are diagrams for explaining the principle of an X-ray microscope.

【図8】図7の原理の有効性を表わす特性図である。FIG. 8 is a characteristic diagram showing effectiveness of the principle of FIG. 7;

【図9】図6に対応するX線顕微鏡システムの基本概念
図である。
9 is a basic conceptual diagram of the X-ray microscope system corresponding to FIG.

【図10】図7に対応するX線顕微鏡システムの基本概
念図である。
FIG. 10 is a basic conceptual diagram of the X-ray microscope system corresponding to FIG.

【図11】図9のX線顕微鏡システムを具体化した従来
例の構成を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing the configuration of a conventional example that embodies the X-ray microscope system of FIG. 9;

【図12】図9のX線顕微鏡システムを具体化した他の
従来例の構成を示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing a configuration of another conventional example that embodies the X-ray microscope system of FIG. 9;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

51 レーザ(Nd:YAGレーザ) 53 ターゲット 54 コンデンサレンズ(ウォルタ型コンデンサレンズ 55 対物レンズ(ゾーンプレート) 57 検出器 58 サンプル 62 真空容器 62a 、62b 透過窓(光学窓) 64 ハーフミラー 66 非線形光学結晶(KDP結晶) 90 オプティカルパラメトリック発振器(OPO) 91 高調波発生器(SHG) 92 くさび形ガラス(ウェッジ) 51 Laser (Nd: YAG laser) 53 Target 54 Condenser lens (Walta condenser lens 55 Objective lens (zone plate) 57 Detector 58 Sample 62 Vacuum container 62a, 62b Transmission window (optical window) 64 Half mirror 66 Nonlinear optical crystal ( KDP crystal) 90 Optical parametric oscillator (OPO) 91 Harmonic generator (SHG) 92 Wedge-shaped glass (wedge)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 試料に対し励起用輻射線および軟X線を
照射して該試料の透過X線顕微鏡像を撮像するX線顕微
鏡において、 前記励起用輻射線の波長を撮像対象に応じて変更するよ
うに構成したことを特徴とする、X線顕微鏡。
1. An X-ray microscope for irradiating a sample with excitation radiation and soft X-rays to capture a transmission X-ray microscope image of the sample, wherein a wavelength of the excitation radiation is changed according to an imaging target. An X-ray microscope, characterized in that it is configured to perform
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