Элтон Р. Рентгеновские лазеры

Подождите немного. Документ загружается.

Заключение. Применения и перспективы

321

и для таких исследований могут применяться рентгеновские ла-

зеры с длиной волны порядка 10А. На поверхности металлов или

вблизи нее происходят следующие динамические процессы [39]:

а) ионная имплантация и образование сплавов на поверхности;

б) лазерный отжиг;

в) износ и трение;

г) коррозия и

д) фазовые переходы.

Малый размер пучка рентгеновского лазера был бы особенно

полезен для исследования структуры поверхностных дислокаций

и трещин, обусловленных износом [8]. Такие измерения на ма-

лых глубинах требуют, чтобы длина волны излучения находилась

на краю или за краем поглощения металла. Поэтому такие ха-

рактеристики, как монохроматичность и перестраиваемость, де-

лают рентгеновские лазеры особенно привлекательными в отличие

от других источников.

Помимо изучения перечисленных выше эффектов, представля-

ет интерес качество поверхности. Примером этого может слу-

жить контроль зеркал, предназначенных для фокусировки мощ-

ных длинноволновых лазеров.

4.3.46.

Исследования объема. Для изучения объема требуется из-

лучение с длиной волны < lA (> 12 кэВ) для достаточного про-

никновения в тонкие слои металлов. Такие длины волн относятся

к 7-диапазону (см. разд. 3 гл. 6). Например, излучение с длиной

волны 0,7А (18 кэВ) проникает в железо лишь на глубину 33 мкм.

Кроме того, для исследования внутренних дефектов и их ориен-

тации требуется высокая интенсивность излучения.

4.4. Применения в биологии

Применение рентгеновских и 7-лазеров в биологии и тесно свя-

занных с ней областях биомедицины является одной из наиболее

перспективных возможностей.

44-1-

Рентгеновская микроскопия

4.4.1а.

Предварительные замечания. Биологические клетки и кле-

точные организмы очень важно изучать с высоким пространствен-

ным разрешением и в живом виде, т. е. в естественной жидкой

среде, а не в виде высушенных и окрашенных тонких срезов [40,

322

Глава 7

41].

Этой теме посвящены обширные обзоры в трудах двух конфе-

ренций [42, 43].

Рентгеновские лазеры могут помочь в решении следующих ак-

туальных проблем [18]:

а. Каково расположение растворенных ферментов в цитоплаз-

ме,

т. е. являются ли они свободно плавающими или связаны

с цитоскелетоном?

б. Присутствуют ли белковые агрегированные структуры в

живых клетках?

в.

Каким образом цитоскелетон организует структуру липид-

ных мембран?

Временное разрешение на уровне долей миллисекунды позволя-

ет визуализировать морфологию клетки и реорганизацию цитоске-

летона во время деления [18]. Влияние колебаний и дрейфа также

устраняется при малом времени экспозиции. С когерентным рент-

геновским лазером можно получать трехмерные голографические

изображения, например структуры цитоскелетона [18]. Более по-

дробно голографическая микроскопия рассматривается далее.

В настоящее время при изучении таких живых объектов с

помощью оптических микроскопов и рентгеновского излучения

лазерной плазмы достигнуто разрешение

500А

[4, 44]. С помо-

щью френелевских зонных пластинок была получена фокусировка

рентгеновского излучения в пятно порядка 500-1000А [45]. Улуч-

шить разрешение примерно в 100 раз можно с помощью электрон-

ного микроскопа, однако в этом случае нельзя изучать живые и

влажные клетки. Одна из причин этого состоит в том, что в отли-

чие от MP-излучения электроны не могут проникать в глубь жи-

вых клеток, которые имеют размеры от 1 до 10 мкм. Другой про-

блемой в электронной микроскопии является то, что живые клетки

должны оставаться в окружении атмосферного воздуха. Слой воз-

духа в 500 мкм при атмосферном давлении имеет пропускание 70%

на длине волны 45А. Электроны не могут проникать через такой

слой. Таким образом, в рентгеновской микроскопии живых объ-

ектов имеется проблема пространственного разрешения, разумная

величина которого составляет 0,01 мкм (ЮОА) [8, 40]. Такие раз-

меры имеют вирусы, молекулы ДНК и РНК. При таком разреше-

нии рентгеновская микроскопия заполнит важный участок между

оптической и электронной и дополнит эти классические методы.

Можно сформулировать три основных технических требования

для рентгеновской микроскопии:

Заключение. Применения и перспективы

323

а) достаточно интенсивный источник рентгеновского излуче-

ния;

б) оптика для получения изображений с высоким разрешени-

ем;

в) контраст, т. е. эффективное взаимодействие рентгеновского

излучения с веществом.

Для решения первой проблемы огромные возможности дают

рентгеновские лазеры благодаря интенсивности и коллимирован-

ности их излучения. Это мож^т оказаться наиболее впечатляющим

приложением рентгеновских лазеров. Очень желателен частот-

ный режим работы. Получение изображений рассматривалось в

разд. 6.1 гл. 2. Значительный прогресс здесь обещает использова-

ние многослойной отражающей оптики (см. п. 2.3.2 гл. 1).

44.16.

Спектральный диапазон «водяного окна». Для последней

из перечисленных выше задач особое значение имеет то, что бел-

ки,

липиды и т. д. в живых биологических объектах поглощают

сильнее, чем присутствующая в них вода для длин волн короче

43,бА

(ΛΓ-край поглощения углерода). Высокий контраст имеется

в области более коротких длин волн вплоть до 23,3θΑ; эта дли-

на волны соответствует К-краю поглощения кислорода в молеку-

ле воды. Этот диапазон длин волн от 23,3 до 43,бА (и, возмож-

но,

немного дальше в длинноволновую сторону) получил название

«водяного окна», в котором живые биологические объекты имеют

высокий контраст при рентгеновском облучении. Это иллюстри-

руется [45] на рис. 9. Кроме того, в работе [46] имеется таблица

коэффициентов поглощения. Диапазон «водяного окна» может

быть несколько расширен в длинноволновую сторону путем пред-

намеренного введения в объект тяжелых элементов [47], хотя это и

искажает состав образца. Например, предполагалось [21], что при-

соединение атомов Fe к антителам, которые затем прикрепляются

к особым клеточным структурам («мечение»), может расширить

длинноволновый край до 60А.

Создание рентгеновского лазера, работающего в области «во-

дяного окна», является одной из самых важных задач. Длины

волн, на которых получено усиление, быстро приближаются к это-

му диапазону (см. таблицы в разд. 2 гл. 3 и 4). Нет сомнения в

том, что в ближайшем будущем мы станем свидетелями дальней-

ших успехов в этом направлении, которые увенчаются поразитель-

ными открытиями в биологии.

324

Глава 7

Л, А

Рис. 9. Линейные коэффициенты поглощения клеточного протеина

(3) и воды (4), демонстрирующие эффект «водяного окна». Кроме

того,

для сравнения показаны коэффициенты поглощения пласти-

ковой пленки (полиамида) (2) и легкого (Be) (5) и тяжелого (Au) (1)

металлов [45].

4.4'1в. Разрушение образца под действием излучения. Важ-

ной проблемой в рентгеновской микроскопии высокого разреше-

ния живых объектов является разрушение образцов под действи-

ем рентгеновского излучения [48]. Возможность наблюдения жи-

вых клеток по крайней мере со средним разрешением уже бы-

ла продемонстрирована [40, 45, 49]. Однако при использовании

в качестве источника рентгеновского лазера и высоком разреше-

нии (100А) образец может получить летальную дозу облучения

(~ 1000 Дж/см

, ос λ",

), при которой разрушаются клеточные

структуры [35]. Но тонкая клеточная структура, как полагают,

остается нетронутой. Некоторую информацию относительно этой

пороговой дозы можно получить из контактной микроскопии с

существующими рентгеновскими лазерами [21]. Она очень важ-

на для получения голографических изображений живых клеток,

которое рассматривается ниже. В контактной микроскопии обра-

зец облучается рентгеновским лазером без каких-либо промежу-

точных оптических элементов [35]. Проявленный фоторезист за-

тем сканируется в электронном микроскопе. При использовании

Заключение. Применения и перспективы

325

качестве фоторезиста полиметилметакрилата (ПММА) было полу-

чено разрешение около 100А[50]. Когерентность источника в таких

экспериментах не требуется.

4.4.2.

Рентгеновская голография

Уже одна голография биологических объектов оправдывает уси-

лия по развитию когерентных рентгеновских лазеров. Правиль-

ные голограммы могут давать трехмерные изображения живых

клеток с временным разрешением. Детальное исследование этой

проблемы и возможностей биомикроголографии с рентгеновски-

ми лазерами имеется в работе [46]. Для получения рентгеновских

голограмм до сих пор требуются большие времена экспозиции, по-

скольку точечные источники имеют низкую яркость и когерент-

ность, т. е. мало число фотонов, приходящихся на одну простран-

ственную моду.

Вероятно, наименьшие трудности вызовут голограммы Габора,

в которых объект расположен между источником и детектором, а

рентгеновский луч проходит через объект в качестве опорного пуч-

ка. Поэтому они, видимо, будут первым шагом в рентгеновской

лазерной голографии. Более подробно эти вопросы обсуждаются

в работе [21]. Схема установки генератор/усилитель с ярким од-

номодовым пространственно-когерентным рентгеновским пучком,

которая годится для получения голограмм Габора, описана в ра-

боте [6]. До создания такой установки для получения габоровских

голограмм углеродных волокон толщиной 8 мкм и массива золо-

тых проволочек толщиной 10 мкм в простой линейной геометрии

использовался лазер на ионах селена в области 200А, описанный в

разд. 2 гл. 3 [5].

Между тем, современные методы биологических исследований

достигли разрешения 40θΑ с синхротронным излучением с длиной

волны 24,7А в области «водяного окна» и применением ондулято-

ра в накопительном кольце [51]. Голограммы частиц проферментов

из клеток поджелудочной железы крысы были получены на рези-

сте высокого разрешения при экспозиции в течение одного часа.

Такие параметры приближаются к возможностям рентгеновских

лазеров высокой яркости и наносекундной длительности.

4.48.

Макромолекулы

Чтобы лучше понять биомолекулярную основу жизни, важно ис-

следовать отдельные макромолекулы в живой ткани, что предста-

вляет исключительно сложную задачу [52]. Более того, входящие в

326

Глава 7

них атомы обладают чрезвычайно малыми коэффициентами пре-

ломления и потому дают очень слабоконтрастную картину в слу-

чае стандартных рентгеновских источников. При использовании

когерентного рентгеновского лазера происходит корреляция вол-

новых фронтов от каждого рассеивающего атома, так что с помо-

щью фазово-контрастной микроскопии можно наблюдать измене-

ния волнового фронта рассеянного излучения за счет небольших

изменений показателя преломления [53]. Рентгеновские голограм-

мы,

обсуждавшиеся выше, позволяют осуществить трехмерное ис-

следование таких атомов.

4-4- Кристаллография

Очень важным возможным применением рентгеновских лазеров

является изучение кристаллов микронного размера [8, 52]. Их пре-

имущества заключаются в высокой мощности и возможности ма-

лого диаметра луча. Применение рентгеновских лазеров дало бы

толчок биомолекулярной кристаллографии. Это сильно упрости-

ло бы задачу выращивания кристаллов без дефектов, если можно

было бы контролировать кристаллы таких малых размеров в от-

личие от миллиметровых кристаллов, которые контролируются с

помощью стандартных рентгеновских источников.

Когерентный рентгеновский лазер может также решить «фазо-

вую проблему» в рассеянии рентгеновских лучей в кристаллах [53].

Решение этой проблемы существенно для определения электрон-

ной плотности в кристалле. Для обычных рентгеновских источ-

ников волновой фронт определяется не полностью в пространстве

или во времени. При рентгеновском лазере фазы рассеянных волн

могут быть определены относительно легко, что дает возможность

восстановить распределение электронной плотности в кристалле.

4.5. Медицинская радиология

Первое, что приходит в голову при оценке возможностей прак-

тического использования рентгеновских лазеров, — это примене-

ния в клинической диагностике и общих физиологических иссле-

дованиях [8]. Это частично связано с расширением применения

длинноволновых лазеров как в клинической, так и в научной ме-

дицине в последние годы. До сих пор в практической медицине

имеется недостаток подходящих рентгеновских источников. Для

некоторых ангиографических приложений необходимы высокая

яркость источника, монохроматичность, коллимированность, ко-

герентность и времена экспозиции от 0,1 с до нескольких милли-

Заключение. Применения

перспективы

327

секунд. Такие характеристики будут иметь рентгеновские

и 7-

лазеры.

С их

помощью можно рассчитывать

на

дальнейшее улуч-

шение чувствительности

разрешения

такой относительно

но-

вой

перспективной области,

как

компьютерная томография

рентгеновская флюороскопия.

4.5.1.

Дифференциальное поглощение

Дифференциальное поглощение может использоваться

для

улуч-

шения контраста при количественном изучении распределения тя-

желых элементов

различных живых органах [54]. Этот метод

обычно применяется

ситуациях, когда патологические условия

приводят

изменениям

элементном составе. Известными при-

мерами этого являются

иод в

щитовидной железе

остеопороз

костей.

Для

двух длин волн, лежащих вблизи края поглощения,

но

разных сторон можно измерять разность поглощений менее

[55]. Таким способом можно определить содержание иода

точностью

не

хуже ±20% [56].

Для

пациентов

остеопорозом

ко-

стей была

бы

очень полезна такая

же

методика количественного

измерения содержания кальция

минеральных составляющих

костях. Рентгеновская дифракция

при

больших интенсивностях

может также оказаться полезной для изучения физиологии

кон-

троля мышечных сокращений [57].

Для метода дифференциального поглощения требуются высо-

кая интенсивность излучения, большая глубина проникновения

(порядка сантиметров

для

живых объектов

и,

следовательно, 4>о-

тоны

энергией более

кэВ,

т. е.

7-диапазона (см. разд.

гл.

6))

и высокая монохроматичность, которыми будут обладать рентге-

новские лазеры.

4.5.2.

Получение голографических изображений

Голографические изображения

прямом смысле могли

бы

иметь

громадные клинические возможности

для

диагностики врожден-

ных аномалий

болезней.

качестве примера можно привести

определение местоположения, размера

геометрии опухоли

по

от-

ношению

нормальным тканям,

также динамические измене-

ния,

связанные

функциями различных органов.

Голографическая регистрация трехмерных изображений неко-

герентно освещенных объектов возникла [58-60]

конце 60-х годов.

Такая голограмма представляет собой одну многократно экспони-

рованную фотопластинку, полученную

результате серии обыч-

ных фотографий.

При

таких обследованиях пациенты получа-

328

Глава 7

ли большие дозы облучения. Позднее, чтобы уменьшить време-

на экспозиции, стали применять томографические методы. С

их помощью были получены трехмерные изображения пояснич-

ных позвонков [61]. В этих методах вновь требуется излучение

7-диапазона для большой глубины проникновения. Однако с помо-

щью более мягкого излучения рентгеновских лазеров также можно

делать быстрый элементарный анализ клеток путем микрофотоме-

трии или флуоресценции.

4.5.3. Микроанализ

Имеются по крайней мере две области медицины, в которых мо-

гли бы использоваться коллимированные лучи рентгеновских ла-

зеров чрезвычайно малых диаметров [8]. Первая включает в себя

изучение воздействия такого излучения на живые клетки. Мож-

но определить поглощение излучения одной клеткой. Распределе-

ние углового рассеяния может позволить идентифицировать клет-

ки.

В другой области лучи используются как инструменты анали-

за функции клеток при облучении субклеточных структур. Для

этого требуются диаметры лазерных пучков порядка 0,25 мкм

(2500А).

4.6.

Заключение

Яркость рентгеновских лазеров превышает яркость всех извест-

ных в настоящее время рентгеновских источников почти в 10

раз (см. рис. 4). В этом заключается их основное преимущество,

и поэтому оправданно дальнейшее развитие этих новейших мощ-

ных инструментов. В настоящее время невозможно представить

и предсказать область наиболее эффективного применения рент-

геновских лазеров. С уверенностью можно лишь сказать, что они

произведут революцию в рентгеновской области, как это было с

лазерами видимого и инфракрасного диапазонов. Такие преиму-

щества, как семь порядков по яркости и когерентность, не мо-

гут остаться неоцененными и неиспользованными в течение зна-

чительного времени. Таким образом, рентгеновские лазеры имеют

большие перспективы.

5. Прогнозы

Начиная с 1970 г. примерно каждые 3-5 лет наблюдался всплеск

интереса к исследованиям по рентгеновским лазерам. Отчасти это

Заключение. Применения и перспективы

329

было связано с появлением новых и более мощных лазеров види-

мого диапазона, используемых для создания активной среды, от-

части — с прорывами в понимании и успехами в экспериментах

на небольших установках. Однако главным образом они являются

следствием изменения административной политики на различных

уровнях.

Теперь, когда созданы рентгеновские лазеры с выходной мощ-

ностью, достаточной для практических приложений, следующий

логический шаг состоит в том, чтобы выделить эти исследования

в самостоятельную область и не рассматривать их как вспомо-

гательные к программам по лазерному термоядерному синтезу и

мощным импульсным плазменным установкам. Для этого необхо-

димы специализированные установки коллективного пользования.

Они должны быть оснащены современной вычислительной техни-

кой и новейшими средствами диагностики, чтобы обеспечить яс-

ное понимание физики явлений, протекающих в активных средах

рентгеновских лазеров, и создать необходимый фундаментальный

и инженерный задел для последующего развития этого направле-

ния.

Наиболее плодотворные области исследований, вероятно, сле-

дующие (не в порядке приоритета):

* более короткие длины волн,

* большая выходная энергия и мощность,

* большая длительность, применение резонаторов,

* лучшее качество луча,

* меньшие размеры,

* лучшая эффективность и

* большая доступность и удобство.

В ближайшие годы у рентгеновских лазеров имеются заманчи-

вые перспективы. Поистине революционные возможности ограни-

чиваются лишь нашим воображением и доступными ресурсами.

Литература

Key Μ. #., J. de Physique, 49, Cl-135 (1988).

Matthews D., et a/., J. Opt. Soc. Am., В 4, 575 (1987).

Suckewer S., Skinner С. H., Milchberg H.

Keane C., Voorhees Ζλ, Phys.

Rev. Lett., 55, 1753 (1985).

Key M. #., Nature, 316, 314 (1985).

5. Trebes J. E., et al., Science, 238, 517, (1987).

330

Глава 7

6. Rosen Μ. D., Trebes J. Ε., Matthews D. L., Comments in Plasma

Physics and Controlled Fusion, 10, 245 (1987).

7. Nagel D. J., Annals New York Acad. Sci., 342, 235 (1980).

8. Jorna S., et a/.,

X-ray Laser Applications Study", Report No. PD-LJ-

77-159 (Physical Dynamics, Inc., LaJolla, California, 1977).

9. Михайлин В. B.

Черное С. П., Шепелев А. В., Квант, электрон.,

1978,

т. 8, с. 998.

10.

Samson /. А. Л., "Techniques of Vacuum Ultraviolet Spectroscopy"

(Pied Publications, Lincoln, Nebraska, 1967).

11.

Weber M. /., in: "Energy and Technology Review — Synchrotron Ra-

diation", p. 1 (Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore,

California, Nov.-Dec. 1987).

12.

"Handbook on Synchrotron Radiation", E.-E. Koch, ed. (North Holland

Publ. Co., Amsterdam, 1983).

13.

Howells M. /?., "Optical Components and Systems for Synchrotron

Radiation: An Introduction", SPIE Proc. No. 315: Reflecting Optics

for Synchrotron Radiation, p. 13 (1981).

14.

Elton R. C, Lee Τ. N., Burkhalter P. G., Nuclear Instruments and

Methods in Physics Research, В 9, 753 (1985).

15.

Elton R. С, Lee Τ. N., Molander W. Α., Phys. Rev., A 33, 2817 (1986).

16.

Apruzese J. P, et a/., SPIE Proc, 875, 2 (1988).

17.

Andrews R. Α., "X-Ray Lasers — Current Thinking", Memorandum

Report No. 2677 (U.S. Naval Research Laboratory, Washington, DC,

1973);

summarized in Laser Focus, 9, 41 (Nov. 1973).

18.

Proceedings of the First Symposium on the Applications of Laboratory

X-Ray Lasers, N. M. Ceglio, ed., Report CONF-850293 (Lawrence

Livermore National Laboratory, Livermore, California, 1985) (abstracts

and vugraphs; video tape also available).

19.

Waynant R. W., Elton R. C, Proc. IEEE, 64, 1059 (1976).

20.

Nagel D. /., "Potential Characteristics and Applications of X-ray La-

sers",

in: Advances in X-ray Spectroscopy, C. Bonnelle, C. Mande, eds.,

Chapter 20 (Pergamon Press, New York, 1982).

21.

Trebes 7., J. de Physique (Colloque), C6, 309 (1986).

22.

Silfvast W. Т., Wood 0.

R.,II,

Al-Salameh D. Y., in: AIP Conference

Proceedings No. 147, D. T. Attwood, J. Boker, eds., p. 134 (American

Institute of Physics, New York, 1986).

23.

Hofstadter "The Atomic Accelerator", Report No. 560 (Stanford

Univ., High Energy Physics Lab., Stanford, California, 1968).

24.

Siegbahn K., et a/., "ESCA-Atomic, Molecular and Solid State Structure

Studied by Means of Electron Spectroscopy" (Almquist and Wiksells,

Uppsala, 1967).

25.

Carlson Т. "Photoelectron and Auger Spectroscopy" (Plenum Press,

New York, 1975).

26.

Glasstone S., Lovberg R. #., "Controlled Thermonuclear Reactions",

171 (D. Van Nostrand Publ., New York, 1960).

27.

Leonard 5. in: "Plasma Diagnostic Techniques", R. H. Huddlestone,

S. L. Leonard, eds., Chapt. 2 (Academic Press, New York, 1965).