X射線顯微鏡基礎(chǔ)知識

更新時間：2026-08-26

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X射線顯微鏡是一種能夠利用X射線作為光源觀察物體結(jié)構(gòu)的顯微鏡。

當X射線照射到物質(zhì)上時，會獲得各種信號，但在X射線顯微鏡中，觀測主要使用透射（吸收）X射線和熒光X射線。 X射線透光率很高，通過利用本質(zhì)上衰減物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、厚度和組成的反應(yīng)，可以獲得增強對比度的圖像。

此外，通過在旋轉(zhuǎn)樣品并構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)的過程中持續(xù)獲取圖像，可以獲得斷層掃描圖像（通常稱為CT）。一般來說，在使用電磁波的顯微鏡中，空間分辨率取決于其波長。 X射線的波長比可見光短100到10,000倍，從而能夠獲得高清圖像。

X射線顯微鏡主要用于工業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)以及制造現(xiàn)場的檢測。由于X射線支持非接觸和無損檢測，常用于零件缺陷檢測和特征測試。此外，還可以對巖石及其他材料進行結(jié)構(gòu)評估，并獲取用于新原材料表征的參數(shù)。

在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，它越來越多地被用于表征經(jīng)過超微制造的產(chǎn)品。在觀測含水量較高的生物樣本時，使用低吸收水分的X射線波長范圍可以獲得高對比度圖像。

X射線顯微鏡用X射線照射樣品，利用從物質(zhì)中獲得的透射（吸收）X射線和熒光X射線等信號來獲取圖像并進行組分分析。所用的X射線波長通常是1~10納米范圍內(nèi)的軟X射線。特別是2.3~4.3納米區(qū)域的吸水率極低，被稱為“水窗"，用于生物樣本觀測及類似目的。

X射線顯微鏡包括利用X射線透射率作為對比度捕捉圖像的顯微鏡，以及通過X射線照射產(chǎn)生的熒光X射線的顯微鏡。熒光X射線是由X射線照射激發(fā)材料中內(nèi)殼電子而釋放的X射線現(xiàn)象獲得的信號，該現(xiàn)象對應(yīng)于內(nèi)外殼層電子被松弛成空穴。

由于熒光X射線具有原子獨特的波長，它們也可以應(yīng)用于元素分析及其他應(yīng)用。此外，X射線顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)根據(jù)是否包含光學(xué)元件大致分為兩類。在無光學(xué)元件的X射線顯微鏡中，觀察采用稱為投影放大和近距離接觸的方法。

由于無法用X射線波透鏡進行放大，放大是通過物理上將樣品與成像平面分離來實現(xiàn)的。使用光學(xué)元件的成像方法通過使用利用光的區(qū)域板，或使用全層或多層膠片反射的鏡子實現(xiàn)。

X射線顯微鏡以X射線為光源，而電子顯微鏡則通過將電子束照射到樣品上來放大圖像。電子束是電子的快速流動。原子由質(zhì)子和中子組成的原子核，周圍環(huán)繞著電子。當質(zhì)子、中子和電子被稱為加速器的裝置加速到高速度時，它們會變成質(zhì)子射線、中子射線和電子束等輻射。

與X射線不同，電子束是粒子射線，因此其穿透力有限。電子束的穿透力由加速電壓決定：加速電壓越高，電子能到達的深度越深;被照射物體的密度越低，電子穿透得越深。

透射電子顯微鏡（TEM）：
將電子束照射到薄膜樣品上，透射的電子束通過電子透鏡，在電子束發(fā)射的熒光粉上形成放大圖像。電子透鏡通過電場或磁場彎曲電子束，形成圖像。

掃描電子顯微鏡（SEM）在
真空中縮窄電子束并進行輻照，以掃描樣品表面，以檢測樣品發(fā)射的次級電子和反射電子。次級電子是指被照射的電子束擊出樣品中其他電子，而反射電子則是照射后的電子從樣品表面反射出來的電子。

通過將X射線探測器連接到掃描電子顯微鏡，也可以用作X射線分析儀，檢查樣品中元素的類型和數(shù)量。

它是一種使用硬X射線探針的X射線顯微鏡。硬X射線的波長約為0.1納米，較短，理論上可實現(xiàn)更高的分辨率。與物質(zhì)的相互作用不僅包括透射（吸收）、折射和反射，還包括光電子、熒光X射線、彈性散射、非彈性散射、磁吸收、散射等。

此外，由于其高度的透明度，可以進行無損觀測，并且也用于大氣中的測量。掃描X射線顯微鏡由聚焦X射線、掃描樣品臺和探測器組成。掃描樣品時，它會進行X射線分析（透射X射線、熒光X射線、散射X射線等），以顯示各種信息。

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