엑스선 현미경 {X-ray microscope}
본 발명은 방사법(radiation method), 특히, 엑스선 방사에 의해 물체의 내부 구조를 포함한 확대된 음영 영상(shadow projection)을 얻는 방법을 이용한 투시 현미경(projection microscopy)에 관한 것이다.
엑스선 현미경은, 물체의 내부 구조에 대한 영상을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러한 현미경의 작동은, 점광원(point source)으로부터 나오는 발산하는 엑스선 광선 중에 물체의 음영을 투시(shadow projection)하는 원리에 기초한다(Encyclopedia "Electronica, Moscow, "Sovetskaya Entsiklopediya" publishing house, 1991, p.478)[1]. 이 현미경은 음영(shadow) 또는 투시 현미경(projection microscopy)이라고 불리고 있다. 투시 현미경은 보통, 미세초점(microfocus) 엑스선 튜브, 관찰대상 물체를 위치시키는 챔버(chamber) 및 기록 매체(recording means)로 이루어진다. 투시 엑스선 현미경의 해상도(resolution)는, 광원(radiation source)의 크기(size)가 작을수록, 물체로부터 광원의 거리가 가까울수록 크다. 특히, 지름이 0.1~1㎛인 초점 부위를 가진 튜브로 된 현미경이 이용되는 것으로 알려져 있다[1]. 광원의 유효 크기를 더욱 줄이기 위해 조리개를 붙이는 것(diaphragming)이 이용된다(Physical Encyclopedia, Moscow, "Sovetskaya Entsiklopediya" publishing house, 1984, p.639)[2]. 그러나, 광원 크기를 줄이거나 조리개를 붙이는 것으로는, 확대된 영상의 충분한 명암대비를 보증하기에는 그 명암도(intensity)가 불충분하게 된다. 이러한 결점을 극복하기 위해서는 상당한 노출시간(exposure time) 증가를 필요로 한다. 유효 명암도를 증가시키기 위해 광원 크기를 크게 하면, 얻어진 영상이 흐릿하게 되며 해상도가 감소한다. 총 외부 반사(total external reflection)의 엑스선 모세관 광학(X-ray capillary optics)이 개발됨에 따라, 확대된(관찰대상 물체에 필적하는) 엑스선 소스(source)를 엑스선 현미경에 이용할 수 있는 가능성이 생겼다. 그러한 현미경에서 관찰대상 물체를 둔 챔버는 확대된(extended) 엑스선 소스와, 영상 기록매체쪽으로 발산하는 채널들(channels)을 가진 엑스선 렌즈의 입구 끝면(entrance end face) 사이에 위치한다(international application PCT/RU94/00189, international publication WO96/01991, 25.01.96[3]). 특히, 상기 참조문헌은 원뿔형(conical) 엑스선 렌즈 및 벨형(bell-type) 렌즈의 이용에 대해 개시하고 있는데, 후자가 더 효과적인 것으로 기재되어 있다. 광원 크기의 증가는 이러한 현미경들의 해상도에는 영향이 없는데, 왜냐하면 이는 엑스선 모세관 렌즈(capillary lens)의 개별적 채널(separate channel)의 시야 영역에 들어오는 물체 단편의 크기에 대응하기 때문이다. 상기 원뿔형(conical) 엑스선 렌즈 및 벨형(bell-type) 렌즈를 갖는 엑스선 현미경은 제안된 것중 하나에 가장 가깝다. 그러나, 표준 이하로 개별적 채널들(separate channel)의 지름이 감소하면 모노리틱(monolithic) 시점에 있어서의 기술적 수준이 되며, 특히, 인티그랄(integral) 렌즈(US patent No. 6,271,534, publ. 07.08.2001[4])에서는, 엑스선 렌즈에서 개별적 채널의 입구 크기(entrance size)가 결정요인(determining factor)이 되지 않게 된다. 이것은 상기 렌즈의 개별적 채널의 시야 영역의 크기 를 나타내는 렌즈의 지름(△)이 순서대로(being of the order)라는 사실 때문인 것으로 여겨진다. △ = d + 2 Lθ c .......(1) d 는 개별적 채널의 입구 지름을 나타내며, L은 관찰대상 물체와 엑스선 렌즈 채널 입구 간의 거리, θ c 는 채널 벽 물질(channels walls material)의 총 외부 반사(total external reflection)의 임계각(critical angle)이다. 지름 d 가 작고 사용된 방사 에너지(radiation energies)가 낮은 경우, 특히, 생물학 대상 연구에서, 각 θ c 가 10 -2 라디안( radian )에 도달할 때, 상기 식 (1)에서 두번째 조건(term)이 우세해진다. 따라서, 예를 들어, L =1mm, d =0.1 마이크론(micron)의 경우 하기와 같다. d = 0.1 micron = 10 -7 m << 2·10 -5 m = 2·1·10 -3 m·10 -2 = 2 Lθ c 따라서, 엑스선 렌즈 제조기술의 발전은, 확대된 소스를 이용하는 기존 디자인의 엑스선 현미경의 정밀도 특성을 향상시키지는 못하였다.
본 발명은 해상도가 방사 에너지(radiation energy)에 의존하는 것을 없앰과 동시에 확대된(관찰대상 물체를 초과하는 크기의 것을 포함) 소스(source)의 사용 가능성을 유지하면서, 사용되는 모세관 렌즈(capillary lens)의 채널 지름을 감소시킴으로써 엑스선 방사를 이용한 투시 현미경의 해상도를 증가시키는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기 기술은 노출 시간(exposure time)이 줄어드는 결과와도 연관된다. 이러한 기술을 달성하기 위하여, 제시되는 엑스선 현미경은 상기 공지된 특허[3]에 가장 유사하며, 확대된 엑스선 소스(extended X-ray source), 관찰대상 물체가 위치하는 수단(means) 및 엑스선 방사 기록수단, 그들 사이에 위치하며 엑스선 방사 기록수단 쪽으로 발산하는 방사(radiation)를 전달하기 위한 채널을 가진 엑스선 모세관 렌즈로 이루어진다. 여기서, 관찰대상 물체를 위치시키는 수단은 확대된 엑스선 소스와 엑스선 모세관 렌즈의 입구 (더 작은)끝면(entrance (smaller) end face) 사이에 위치하게 된다. 공지된 가장 유사한 장치와 달리 제시되는 엑스선 현미경에서 엑스선 모세관 렌즈 채널의 벽은 내부 코팅을 가지며, 또는 엑스선 방사를 흡수하거나 흩어지게 하는 물질로 이루어져 있고, 절단된 원뿔 또는 피라미드 또는 실린더나 프리즘의 바깥 표면 형태(lateral surface shape)로 이루어져 있다. 방사 전달 채널 벽(radiation transmission channels' walls)의 표면 형태가 상기 전자의 2 형태(원뿔, 피라미드)일때, 그들의 종단면(cross section)은 입구에서 출구까지 균일하게 증가하는 반면, 후자의 2 형태(실린더, 프리즘)는 채널 총 길이에 걸쳐 일정하다. 상기 모든 경우에 있어서 채널의 광학 축(optical axes)이 직선(rectilinear)인 것은 필수적이다. 엑스선 방사를 흡수하거나 흩어지게하는 물질로 방사 전달 채널 벽을 제조하는 것 또는 그 내부를 그러한 물질로 코팅하는 것은, 채널 통과시 방사 반사(radiation reflection)가 일어나지 않게 한다. 그 결과 분광기(collimators)의 원리에 의해 또한 더 이상의 전달이 벽에 부딪혀 그에 의해 방사가 막히므로, 채널 기능은 불가능해진다. 그 결과로서 각 채널은 채널의 정확히 반대편 입구에 위치한 관찰대상 물체의 단편을 통해 오는 방사(radiation)를 잡게 된다(entrap). 따라서, 개별적 채널(separate channel)에서 시야 영역(viewing field)의 크기를 나타내는 렌즈의 지름(△)은 오른쪽의 두번째 항목 2 Lθ c 없이 상기 식 (1)의 △ = d 에 의해 결정된다.
도 1은 엑스선 현미경의 일반적인 설계도이다. 도 2는 출구 방향으로 증가하는 종단면을 가진 방사 전달을 발산하는 채널을 가진 엑스선 현미경에 속하는 렌즈의 디자인을 나타낸다. 도 3은 전 길이에 걸쳐 일정한 종단면을 가진 방사 전달을 발산하는 채널을 가진 엑스선 현미경에 속하는 렌즈의 디자인을 나타낸다. 도 4는 도 2에 해당하는 경우, 방사 전달 채널의 두 벽 형태인 렌즈의 종단면 그림을 나타낸다. 도 5는 도 3에 해당하는 경우, 방사 전달 채널의 두 벽 형태인 렌즈의 종단면 그림을 나타낸다. 도 6은 개별적 렌즈 채널의 시야 영역 및 엑스선 방사량이 제시된 혹은 공지된 장치의 채널 중에서 전달되는 경로를 나타낸다.
제시되는 엑스선 현미경은 관찰대상 물체(3)의 크기보다 더 작지 않은 크기로 확대된(extended) 조리개(2;aperture)를 가진 엑스선 소스(1)로 이루어진다(도 1). 관찰대상 물체(3)는 관찰 물체를 두기 위한 수단(4; 챔버) 내에 위치한다. 이 수단(4)으로부터 가장 근접 위치에, 엑스선 모세관 렌즈(6)의 입구 (더 작은)끝편(5;entrance (smaller) end side)이 위치한다. 가까이 위치한 출구 (더 큰)끝편(7)은 엑스선 방사 기록수단(8)에 민감하다(sensitive). 관찰대상 물체(3)를 관통하고 엑스선 모세관 렌즈(6)의 입구 끝편(5) 출구 끝편(7)까지 렌즈로 투과되는 엑스선 방사의 밀도 분포(density distribution)의 영상(9;image)은 이 엑스선 방사 기록수단(8)에 기록되어 모니터(10)에 표시된다. 그리고 관찰대상 물체(3) 영상의 선형치수(linear dimension)의 확대는 엑스선 모세관 렌즈(6)의 출구 끝편(7)과 입구 끝편(5)의 선형치수 비율에 비례하여 일어난다. 예비적으로, 엑스선 방사 기록수단(8)의 출력 신호는 퍼스널 컴퓨터 또는 조절 유닛(11a;control unit)을 갖춘 특수 목적의 컴퓨팅 수단(11;special-purpose computing means)의 프로세스에 좌우된다. 따라서, 예를 들어 컴퓨팅 수단(11)은 관찰대상 물체(3)가 없이도 영상을 기록하는데, 조리개(2;aperture)에서 방사 강도(intensity)의 비균일성(non-uniformity) 및 챔버(4)의 벽과 엑스선 모세관 렌즈(6)를 통과할 때 그 손실의 비균일성 뿐만 아니라 영상(9) 기록을 위한 엑스선 방사 기록수단(8)의 영역에 대한 성분 민감성(elements sensitivity) 검출의 불규칙성(irregularity)을 그린다. 나중에 물체의 관찰 과정에서 이 기록된 그림은 관찰 물체 밀도 고유의 비균일성을 반영하여 얻어진 영상을 교정(correct)하는데 사용될 수 있다. 이로 인해 모니터(10) 스크린의 영상(9)은 관찰대상 물체(3)의 내부 구조의 비균일성(13)의 진정한 패턴(12;true pattern)을 나타낸다. 사실상, 엑스선 모세관 렌즈(6)의 기능은 렌즈 채널의 수에 따라 엑스선 모세관 렌즈(6)의 입구 끝편(5)에서 성분(element)으로 관찰대상 물체(3)의 그림자 영상(shadow image)이 분열(splitting)하는 것 및 그러한 각 성분이(관찰대상 물체 (3)의 하나 또는 다른 단편을 관통하는 엑스선 방사에 대응하는 강도로서) 엑스선 방사 기록수단(8)의 대응하는 검출 성분으로 전달되는 것에 달려있다. 렌즈 채널의 입구 지름과 동등한 해상도는 렌즈 채널의 각 출력 신호(output signals)가 다른 채널의 출력 신호와 혼합(mixing)되는 일 없이 개별적으로 기록된다면 실현될 수 있다. 따라서 상기 언급된 확대 비율은 엑스선 방사 기록수단(8)의 해상도 성분(resolution element)(개별적 검출 성분(separate detecting element))의 크기에 대응하여야 한다. 그러한 대응의 제공은 입구 크기와 비교하여 엑스선 모세관 렌즈(6)의 출력에서 영상 성분(image element)의 실제 확대를 반드시 요구하지는 않는다. 각 영상 성분에 대응하는 신호를 개별적으로 받을 수 있다는 가능성을 실현하는 것으로 충분하다. 이러한 상태(condition)는 도 2 및 도 3에 나타낸 렌즈 디자인 중 어느 하나에 의해 충족될 수 있다. 그 중 첫번째 것(도 2)에서 채널들(14;channels)은 사실상 모든 렌즈의 부피를 차지하고, 그들의 종단면은 대체로 렌즈의 종단면으로서 같은 원리(law) 하에서 길이에 따라 변한다. 도 2의 렌즈 디자인에서 채널들은 특히, 원형의 원뿔(circular cone) 또는 육면체의 피라미드(hexahedral pyramid) 형태를 할 수 있다. 그들의 종단면은 도 4에 나타내었다. 그러한 형태는 기술적으로 가장 적합하다. 출구(D) 및 입구(d) 지름(종단면이 원형에서)의 비율은 상기 확대 정도(enlargement degree)를 결정한다. 잠재적으로 가능한 해상도를 실현하기 위해 엑스선 방사 기록수단(8)의 민감한 검출 성분은 크기에서 D를 초과해서는 안되며, 렌즈 채널들의 반대쪽 출구(outlet)에 위치한다. 도 2는 그러한 성분(15; elements) 몇 가지를 나타내고 있다. 채널들(16)의 종단면이 전 길이에 걸쳐 일정하고 그 출구 지름(D)이 입구 지름(d)과 동일한 도 3에 나타낸 렌즈의 경우에도 동일한 조건(condition)이 충족되어야 한다. 이러한 조건에 따르는 여러 검출 성분(17)도 도 3에 나타나 있다. 도 3에 따른 렌즈 디자인에서 기술적으로 가장 적합한 채널의 형태는 원형 실린더(circular cylinder) 및 육면체 프리즘(hexahedral prism)이다. 그들의 종단면을 도 5에 나타내었다. 방사 전달의 채널 사이의 공간은 엑스선 방사에서 불투명해야 한다 (그렇지 않으면, 그들도 채널들(channels)로 간주되어야 한다). 도 2의 디자인은 다소 에너지 절약(energy-wise)에 더 유리한 것이다. 이것은 도 3의 디자인에서와 같은 크기의 물체 단편으로부터 방사를 받고, 대략 같은 해상도를 제공하면서 채널들의 발산하는 성질 때문에 물체 단편 방사의 더 큰 부분을 포착(capture)하게 한다. 상기 두 디자인에서 방사(radiation)는 채널들의 연속(continuations)으로 한정된 영역에 정확히 위치한 물체 단편의 지점으로부터만 포착(capture)될 수 있다(도 6a 및 도 6b 참조). 채널 벽의 물질 또는 채널 벽의 코팅을 위한 물질로서 공지의 광흡수 물질을 이용함으로써 그 벽을 향해 비스듬히 채널로 들어가는 방사는 흡수되거나 흩어지며, 출구로 전달되지는 않는다. 도 6a와 6b에서 점선은 채널의 출구를 향해 통과하는 엑스선 방사량(radiation quanta)의 전달 경로를 나타내는데, 이는 오직 직선 하나일 수 있다. 반면에, 총 외부 반사(total external reflection)의 원리를 이용하는 공지의 장치 상기 참조문헌 [3]에서 방사는 도 6a 및 도 6b에 나타낸 영역(zone) 외부에 위치한 물체 단편으로부터 채널들 입구로 가는 채널들(18; channels)을 통해 전달될 수 있다. 이것은 입구에서 채널로 방사 전달 방향이 그 벽과 임계의 θ c 보다 더 작은 각을 형성한다면, 일어날 수 있다. 따라서 도 6c에 나타낸 바와 같이 채널 출구로 오는 양(quanta)은 직선(점선으로 표시) 및 꺾인선(실선으로 표시) 두가지 경로에 의해 전달되고 있다. 실시된 실험에서 물체의 영상은 약 0.1mm의 직선치수를 갖는 소스(source)에 대해 1 마이크론(micron) 급(order)의 해상도가 얻어졌고, 소스 조리개의 영역(area of the source aperture)이 해상도 요소(resolution element)를 약 10,000배 초과했다. 0.1 마이크론 및 더 좋은 수준으로 해상도를 얻기 위해서는 필요한 필수조건이 존재한다. 제시된 현미경의 실제 사용 전망을 결정하는 필수 요소는 얻는 정보율(rate of information gaining)이다. 실행된 측정에 따르면 통상적인 투시 엑스선 현미경 방법의 사용으로 얻어지는 것보다 10,000 ∼ 100,000 요소(factor)로 높일 수 있다. 그러한 장점이 사용되는 소스의 강도(intensity)에 있어서 제한을 제거(restriction removal)함에 따라 얻어진다. 미세초점(microfocus)이 아니어도 제한된 면적(finite dimensions)을 가질 수 있으므로, 엑스선 튜브의 낮은 출력(power)으로도 매우 효율적인 강도(intensity)를 이룰 수 있다. 상기 예들은, 10W 이하의 출력을 가진 튜브 및 10 6 급(order)의 채널수를 가진 원뿔형(conical) 엑스선 렌즈에 관한 것이다.
제시된 장치는 상기 서술된 여러 실시예 중에서 제조상의 편이성이나 1 이상의 특혜를 위한 다른 이유에 따라 렌즈 디자인 및 채널들의 특정 형태를 선택하여 실제로 실현될 수 있다. 실험적으로 확인된 특성들은 제시된 엑스선 현미경의 직접적인 산업상의 광범위한 사용, 특히 마이크로공학(microtechnologies)과 생물학 및 의약 등 과학적 연구에서의 사용을 기대할 수 있게 한다. 상기 관련된 디자인 원리 및 얻어진 결과는 모두, 특히 중성자, 감마양자(gamma quanta), 자외선, 적외선, 가시광선 등 중성 입자 유량(neutral particles flux) 형태뿐만 아니라 이온 등 하전 입자 유량(charged particles flux) 형태인 다른 종류의 방사(radiation)를 이용하는 현미경에도 동등하게 적용될 수 있다. |
