Кіріспе

Бейнелеу әдісі. Фазалық контрастты бейнелеу – кең спектрлі қолданысқа ие бейнелеу әдісі. Ол әртүрлі материалдардың жарық сыну индексінің айырмашылықтарын өлшейді, осы арқылы зерттеліп жатқан құрылымдарды ажыратады. Дәстүрлі жарық микроскопиясында фазалық контраст мөлдірлігі ұқсас құрылымдарды ерекшелеуге және кристалдарды олардың қос сыну қасиеттері бойынша зерттеуге қолданылады. Бұл биология, медицина және геология ғылымдарында пайдалы. Рентгендік томографияда да осы физикалық принциптерді қолдану арқылы, әйтпесе біркелкі құрылымдардағы жарық сыну индексінің шағын айырмашылықтарын анықтап, кескіннің контрастын арттыруға болады. Трансмиссиялық электронды микроскопияда (TEM) фазалық контраст өте жоғары ажыратымдылықта (HR) бейнелеуге мүмкіндік береді, бұл бірнеше Ангстром арақашықтықтағы ерекшеліктерді ажыратуға болатынын қамтамасыз етеді (қазіргі уақытта ең жоғары ажыратымдылық 40 пикометрді құрайды).

Поляризациялық контрастты бейнелеу (Фарадей бейнелеуі)

Поляризациялық контрастты бейнелеуде жарық пен материяның өзара әрекеттесуінің Фарадей эффектісі бұлтты бейнелеу үшін стандартты сіңіру бейнелеу құрылғысын, алыстан бұрылған зонд сәулесімен және қосымша поляризатормен өзгертуге мүмкіндік береді. Фарадей эффекті зонд сәулесінің сызықтық поляризациясын айналдырады, себебі ол зонд сәулесінің таралу бағытындағы күшті магнит өрісімен поляризацияланған бұлт арқылы өтеді. Классикалық тұрғыдан алғанда, сызықтық поляризацияланған зонд сәулесі екі қарама-қарсы, дөңгелекше поляризацияланған сәулелердің суперпозициясы ретінде қарастырылуы мүмкін. Әрбір зонд сәулесінің айналатын магнит өрісі үлгідегі атомдардың магнит дипольдерімен өзара әрекеттеседі. Егер үлгі жарық өрісінің k векторына нөлдік емес проекциясы бар бағытта магниттік поляризацияланған болса, екі дөңгелекше поляризацияланған сәуле үлгідегі магнит дипольдермен әртүрлі күштермен өзара әрекеттеседі, бұл екі сәуле арасындағы салыстырмалы фазалық ығысуға сәйкес келеді. Бұл фазалық ығысу кіретін сәуленің сызықтық поляризациясының айналуына әкеледі. Фарадей өзара әрекеттесуінің кванттық физикасы зонд сәулесінің поляризациясын сипаттайтын екінші квантталған Стокс параметрлерінің, атомдардың жалпы бұрыштық импульс күйімен өзара әрекеттесуі арқылы сипатталуы мүмкін. Осылайша, егер BEC немесе басқа да суық, тығыз атомдық үлгі бейнелеу жарығының таралу бағытына параллель поляризацияланған белгілі бір спин (гиперфина) күйінде дайындалса, тығыздығы мен спин күйінің өзгеруін, камера сенсорына бейнелеуден бұрын беріліп отырған зонд сәулесін сәуле бөлуші арқылы өткізу арқылы бақылауға болады. Поляризатордың оптикалық осін кіріс сызықтық поляризациясына қатысты реттеу арқылы қараңғы өріс схемасы (атомдардың болмауында жарық жоқ) және өзгермелі фазалық контрастты бейнелеу арасында ауысуға болады.

Қара өріс және басқа да әдістер

Фазалық контрасттан басқа, бірнеше басқа да ұқсас дисперсиялық бейнелеу әдістері бар. Қараңғы өріс әдісінде жоғарыда аталған фазалық пластина толығымен көлденең етіп жасалады, соның салдарынан сәулеге 0-ші реттен келетін үлес толығымен жойылады. Егер бейнеленетін нысан болмаса, бейне жазықтығы қараңғы болады. Бұл жоғарыдағы теңдеудегі 1 коэффициентін жоюмен тең. Екі теңдеудің квадраттарын салыстырғанда, қараңғы өріс жағдайында контраст диапазоны (немесе интенсивтілік сигналының динамикалық диапазоны) шындығында төмендейтінін көресіз. Осы себепті бұл әдіс қолданыстан шығып қалды. Дефокус контраст әдісінде фазалық пластина объектив линзасының дефокустауымен алмастырылады. Бұл параллель сәулелердің жолдарының ұзындығындағы тепе-теңдікті бұзады, нәтижесінде параллель сәулелер арасында салыстырмалы фаза пайда болады. Дефокус мөлшерін бақылау арқылы стандартты фазалық контрасттағы фазалық пластина сияқты әсерге қол жеткізуге болады. Алайда, бұл жағдайда дефокус нысаннан дифракцияланған сәулелердің фазалық және амплитудалық модуляциясын бұрмалап, нысанның нақты фазалық ақпаратын ұстамай, нысандағы фазалық шудың мөлшеріне пропорционалды интенсивтілік сигналын тудырады. Тағы бір әдіс бар, ол жарық өрісімен теңдестірілген (BBD) әдісі деп аталады. Бұл әдіс әртүрлі шашырау бұрыштарында жіберілетін дискілердің толықтыратын интенсивтілік өзгерістерін пайдаланады, бұл атомдық ажыратымдылықтан бастап орташа ұзындық шкалаларына дейін тікелей, дозаны тиімді пайдаланатын және шуға төзімді фазалық бейнелеуді қамтамасыз етеді, мысалы, FeGe үлгілеріндегі жеңіл және ауыр атомдық бағаналар және наноөлшемді магниттік фазалар сияқты.

Жарық микроскопиясы

Фазалық контраст әртүрлі құрылымдардың әртүрлі сыну көрсеткіштеріне ие екендігін және олардың үлгі арқылы жарықтың өтуін әртүрлі мөлшерде бұрып, сыну немесе кешіктіру қабілетін пайдаланады. Жарық өтуіндегі өзгерістер толқындардың бірін-бірімен «фазадан шығуына» әкеледі. Бұл эффект фазалық контраст микроскоптарында амплитудалық айырмашылықтарға түрлендіріледі, олар окулярда байқалады және нәтижедегі кескінде қараңғы немесе ақшыл аймақтар түрінде тиімді бейнеленеді. Фазалық контраст оптикалық микроскопияда, биологиялық және геологиялық ғылымдарда кеңінен қолданылады. Биологияда, бұл боялмаған биологиялық үлгілерді қарау үшін қолданылады, бұл ұқсас мөлдірлікке немесе сыну көрсеткіштеріне ие құрылымдарды ажыратуға мүмкіндік береді. Геологияда фазалық контраст стандартталған жұқа қимаға (әдетте 30 мкм) кесілген және жарық микроскопы астында орнатылған минералдық кристалдар арасындағы айырмашылықтарды анықтау үшін қолданылады. Кристалдық материалдар қос сыну құбылысын көрсете алады, онда кристалға кіретін жарық сәулелері екі сәулеге бөлінеді, олар кристалға кіретін бұрышқа байланысты әртүрлі сыну көрсеткіштеріне ие болуы мүмкін. Адам көзі екі сәуле арасындағы фазалық контрасты арнайы оптикалық сүзгілерді пайдалану арқылы анықтай алады. Қос сынудың нақты сипаты әртүрлі кристалдық құрылымдар үшін өзгеше болғандықтан, фазалық контраст минералдарды анықтауға көмектеседі.

Рентгендік суретке түсіру

Рентген сәулелерінің фазалық контрастты бейнелеудің төрт негізгі әдісі бар, олар объектіден шығатын рентген сәулелерінің фазалық өзгерістерін рентген детекторларындағы интенсивтілік өзгерістеріне айналдыру үшін әртүрлі принциптерді пайдаланады. Таралуға негізделген фазалық контраст шеттерді күшейту үшін бос кеңістікте таралуды қолданады, Талбот және полихроматикалық алыс өрістік интерферометрия фазаның туындысын өлшеу үшін дифракциялық торлар жиынтығын қолданады, рефракциямен күшейтілген бейнелеу дифференциалдық өлшеу үшін анализатор кристаллын да қолданады, ал рентгендік интерферометрия фазаны тікелей өлшеу үшін кристаллдық интерферометрді қолданады. Бұл әдістердің қалыпты сіңіру контрасты рентгендік бейнелеумен салыстырғандағы артықшылықтары – аз сіңіретін материалдар үшін жоғары контраст (өйткені фазалық өзгеріс сіңіруден өзгеше механизм) және кеңістіктік жиілік артаған сайын шуға қатысты контраст (өйткені көптеген фазалық контраст әдістері фазалық өзгерістің бірінші немесе екінші туындысын анықтайды), бұл кішірек бөлшектерді көруге мүмкіндік береді. Бұл әдіс Қытайдағы Душантуо формациясынан алынған кембрийге дейінгі метазоан эмбриондарын бейнелеу үшін қолданылды, бұл нәзік микроқалдықтардың ішкі құрылымын бастапқы үлгіні бұзбай бейнелеуге мүмкіндік берді.

Трансмиссиялық электронды микроскопия

Трансмиссиялық электронды микроскопия саласында жеке атомдардың бағаналарын бейнелеу үшін фазалық контраст қолданылуы мүмкін. Бұл мүмкіндік материалдағы атомдар электрондар олар арқылы өтетін кезде дифракциялайтынынан (электронның салыстырмалы фазалары үлгі арқылы өту кезінде өзгереді) туындайды, бұл жіберілген сәуледегі контрастқа қосымша дифракциялық контраст тудырады. Фазалық контрастты бейнелеу – жасалған ең жоғары ажыратымдылыққа ие бейнелеу техникасы және бір ангстремнен кем (0,1 нанометрден кем) ажыратымдылыққа қол жеткізуге мүмкіндік береді. Осылайша, кристалл материалдағы атомдар бағаналарын тікелей көруге болады. Фазалық контрастты бейнелерді түсіндіру оңай шаруа емес. HR бейнесінде көрінетін контрасты ажырату және материалдағы қай ерекшеліктерге байланысты екенін анықтау сирек кездеседі, тіпті мүмкін де емес. Керісінше, бірнеше дифракциялық элементтер мен жазықтықтардың және жіберілген сәуленің контрасттарының комбинациясы күрделі болғандықтан, компьютерлік модельдеулер фазалық контрастты бейнеде әртүрлі құрылымдар қандай контраст тудыруы мүмкін екенін анықтау үшін қолданылады. Осылайша, фазалық контрастты бейнеді дұрыс түсіндіру үшін, материалдың қандай кристалдық құрылымы бар екендігі туралы болжам сияқты, үлгі туралы нақты ақпаратты түсіну қажет. Фазалық контрастты бейнелер объективті диафрагманы толығымен алып тастау арқылы немесе өте үлкен объективті диафрагманы пайдалану арқылы жасалады. Бұл тек жіберілген сәуле ғана емес, сонымен қатар дифракцияланған сәулелердің де бейнеге үлес қосуына мүмкіндік береді. Фазалық контрастты бейнелеуге арналған арнайы құралдар көбінесе Жоғары ажыратымдылықтық трансмиссиялық электронды микроскоптар (HRTEM) деп аталады және аналитикалық TEM-дерден электронды сәуле бағанының дизайнымен ерекшеленеді. Аналитикалық TEM-дерде спектроскопиялық өлшеулер үшін бағанға қосымша детекторлар орнатылса, HRTEM-дерде бағанның төменгі бөлігінде әрбір сәуле үшін біркелкі электромагниттік ортаны қамтамасыз ету үшін қосымша құрылғылар аздау немесе мүлдем жоқ (жіберілген және дифракцияланған сәулелер үшін). Фазалық контрастты бейнелеу үлгіден шығатын электрондардың фазалық айырмашылықтарына байланысты болғандықтан, үлгі мен қарау экраны арасында пайда болатын кез келген қосымша фазалық өзгерістер бейнені түсіндіруді мүмкін емес етеді. Осылайша, линзаның өте төмен аберрациясы HRTEM үшін қажетті шарт болып табылады, ал сфералық аберрацияны (Cs) түзетудегі жетістіктер HRTEM-нің жаңа буынына бұрын мүмкін емес деп саналған ажыратымдылыққа қол жеткізуге мүмкіндік берді.