Microscopie à rayons X

Un microscope à rayons X est utilisé pour produire des images agrandies d'un échantillon éclairé par des rayons X. Il y a deux types de microscopes de base : les microscopes à imagerie, qui reproduisent l'image de l'ensemble du champ d'images à la fois, et les microscopes à balayage, qui scannent le champ d'images point par point. Le champ d'image est la zone de l'échantillon examiné qui est imagée par le microscope. Avec les microscopes à imagerie, le champ d'image complètement éclairé est représenté simultanément sur le détecteur, qui se compose d'un champ de pixels. Avec les microscopes à balayage, un spot lumineux bien focalisé n'éclaire le champ d'image qu'en un seul point, qui est guidé sur la surface comme une grille. Le détecteur détecte l'intensité totale provenant du point d'échantillonnage éclairé. L'image est calculée à partir des intensités mesurées après que l'échantillon entier a été scanné.

Quels sont les avantages d'un microscope à rayons X par rapport aux autres types de microscope ?

Les rayons X pénètrent plus profondément dans la matière que la lumière visible. Cela permet aux microscopes à rayons X d'imager l'intérieur des échantillons opaques à la lumière visible.

Les microscopes à rayons X peuvent atteindre une résolution optique plus élevée que les microscopes à lumière visible (habituellement appelés "microscope optique ou photonique"). La longueur d'onde des rayons X est considérablement plus courte que celle de la lumière visible. Ainsi, la limite physique de la résolution réalisable des microscopes à rayons X due à la diffraction est significativement plus élevée que celle des microscopes à lumière. En comparaison, les microscopes électroniques à balayage ont une résolution encore plus élevée, mais les échantillons doivent être résistants au vide et avoir une surface métallique conductrice. Les organismes vivants, par exemple, ne peuvent pas être imagés de cette façon. Les microscopes électroniques à balayage ne montrent que la surface d'un échantillon ou - dans le cas des microscopes électroniques à balayage à transmission - la vue à travers une couche très mince. Le tableau 1 compare certaines propriétés de différents microscopes.

Tableau 1 : Comparaison des propriétés des différents types de microscope (valeurs données à titre indicatif uniquement)

Les microscopes à rayons X à imagerie sont soit des microscopes à ombre magnifiant (Figure 1), soit des microscopes à éléments optiques focalisant (Figure 2).

Microscopes magnifiants à projection d'ombre

se composent d'une source de rayons X 1, aussi ponctuelle que possible, ou d'un système optique 4, qui produit une image réduite 5 d'une source 1, l'échantillon 2, qui est proche de la source 1 (ou proche de l'image 5 de la source), un détecteur, qui enregistre l'image 3 de l'échantillon (figure 1) et un banc optique pour aligner les éléments. Il n'est pas nécessaire d'influencer la direction des rayons X dans la forme la plus simple de ce type de microscope.

Le grossissement dans cette configuration est le quotient L₂ / L₁ avec la L₁ et l'image source de distance L₂. La résolution optique réalisable dépend principalement du diamètre de la source D_Source, car avec une source plus grande, les demi-ombre augmentent et conduisent à des images floues. Deux points d'échantillonnage à une distance minimale d'environ DSource peuvent être résolus avec ce type de microscope. Cette limite peut être décalée à l'aide d'une optique de mise au point 4 devant l'échantillon. L'optique produit une image réduite de la source, qui sert ensuite de source pour la projection de l'ombre. Physiquement, la résolution maximale réalisable est limitée par la diffraction.

Fig. 1 : Microscopes à projection d'ombre : avec une petite source 1 (à gauche) et une image réduite 5 de la source 1 (par exemple en utilisant une plaque de zone de Fresnel) pour des images plus nettes (à droite)

Microscopes avec éléments optiques de focalisation

se composent d'une source de rayons X, éventuellement d'une optique d'éclairage, d'un échantillon, d'une optique d'imagerie, d'un détecteur d'image et d'un banc optique pour aligner les composants.

La source peut être un tube à rayons X, un synchrotron ou une source de plasma. L'intensité de la source détermine le temps d'exposition nécessaire pour capturer une image avec un bon rapport signal/bruit. Selon le type de microscope, la distribution spectrale des énergies photoniques doit correspondre aux propriétés optiques du microscope. Dans la plupart des cas, la limitation à une petite gamme d'énergie photonique est nécessaire au bon fonctionnement de l'ensemble du système.

L'optique d'éclairage est utilisée pour amener autant de photons que possible sur l'échantillon afin d'obtenir des temps d'exposition courts. Dans la plupart des cas, une zone rectangulaire de l'échantillon doit être éclairée de façon homogène. L'optique d'éclairage doit permettre de concentrer le spectre photonique souhaité sur l'échantillon. De plus, chaque point d'échantillonnage doit être éclairé à certains angles afin d'obtenir une bonne qualité d'image du microscope.

L'échantillon est fixé dans un porte-échantillon. Ce porte-échantillons (ou la table de positionnement sur laquelle il repose) peut généralement être motorisé pour positionner l'échantillon avec précision dans le faisceau de rayons X. Cela permet de sélectionner la zone d'image souhaitée, de faire la mise au point de l'image et, dans certains cas, d'ajuster le grossissement.

L'optique d'imagerie se trouve à une distance de l'échantillon qui est supérieure à sa longueur focale (et inférieure au double de sa longueur focale lorsqu'elle est agrandie). Il mappe chaque point d'échantillon dans le champ d'image au point correspondant sur le plan de l'image. L'optique d'imagerie doit être adaptée à l'énergie photonique utilisée et leur angle d'acceptation d'entrée doit être suffisamment grand pour obtenir le champ d'image souhaité.

Le détecteur de rayons X sert à convertir la distribution de l'intensité des rayons X dans le plan de l'image en une image visible ou en signaux électriques qui sont affichés sur un écran d'ordinateur sous forme d'image. Par exemple, le détecteur peut être un film photographique, un détecteur plat ou un cristal scintillateur (qui convertit les rayons X en lumière visible) en combinaison avec une caméra CCD qui enregistre la lumière visible.

Un banc optique rigide sur lequel les composants optiques sont ajustés les uns aux autres est nécessaire pour obtenir une résolution optique élevée.

Fig. 2 : Croquis d'un montage d'échantillon d'un microscope à rayons X d'imagerie pour rayons X durs utilisant des lentilles à rayons X réfractives ©01

Les microscopes à rayons X à balayage se composent d'une source de rayons X, d'un système optique qui génère un point focal intense aussi petit que possible sur l'échantillon, d'un porte-échantillon qui génère le mouvement de balayage, d'un détecteur qui mesure le flux incident de photons et d'un banc optique sur lequel les composants optiques sont ajustés.

La source et le banc optique ont les mêmes fonctions que les composants correspondants dans un microscope d'imagerie.

Le point focal de l'échantillon peut être créé à l'aide d'une optique capillaire, d'une plaque de zone Frenel, d'une lentille à rayons X réfractive ou d'une optique miroir. L'optique utilisée doit avant tout amener le plus de photons possible dans le foyer le plus petit possible de l'échantillon. Si l'échantillon est relativement épais, l'optique doit générer un faisceau focalisé avec une taille de faisceau aussi longue que possible. Si la taille du faisceau avec sa forme en double cône est très courte, la qualité de l'image diminue.

La table avec le porte-échantillon déplace l'échantillon en méandres à travers le faisceau jusqu'à ce que l'ensemble du champ d'images soit balayé ligne par ligne. La taille de pas requise dépend de la résolution de l'image souhaitée. A titre indicatif, la taille du pas doit être d'environ la moitié du diamètre du point focal pour obtenir la meilleure qualité d'image possible. La position de la table doit être connue sur toute la durée d'une image avec une précision supérieure à celle du pas afin de pouvoir reconstruire l'image ultérieurement à partir des intensités mesurées localement.

Ce type de microscope à rayons X peut être équipé d'un détecteur de rayons X qui n'a pas besoin d'être résolu dans l'espace, par exemple une diode pin ou un détecteur à scintillation. Par rapport aux microscopes à rayons X à imagerie, c'est un avantage parce qu'ils nécessitent une résolution spatiale coûteuse et des détecteurs sans bruit de fond.

Fig. 3 : Croquis d'un montage d'échantillon d'un microscope à rayons X à balayage utilisant une plaque de zone de Fresnel (avec les ouvertures correspondantes pour supprimer les ordres de diffraction non désirés)