1、B. B rinkm an。 合 作 者 是 哥 伦 比 亚 大 学 的 S.Kahn。 联 合 体 的 其 他 研 究 所 包 括 英 国 莫 拉 德空 间 科 学 实 验 室 、 伦 敦 大 学 学 院 和 瑞 士 PaulScherrer 研 究 所 。光 学 监 视 器 是 一 台 能 用 可 见 光 和 紫 外 光研 究 天 空 的 望 远 镜 。 它 是 由 英 国 、 美 国 和 比 利时 的 研 究 所 联 合 体 制 造 , 由 莫 拉 德 空 间 科 学实 验 室 K. O. M ason 领 导 。 虽 然 与 地 面 望 远镜 相 比 , 30 cm 直 径 的 主 反
2、 射 镜 并 不 算 大 , 但当 升 至 地 球 大 气 层 上 时 , 其 性 能 却 与 最 大 和最 好 反 射 镜 一 样 。 英 国 光 学 表 面 公 司 负 责 生产 这 二 块 反 射 镜 。反 射 镜 以 极 高 的 精 度 涂 以 铝 层 , 表 面 最大 的 “ 凸 起 ” 不 大 于 1 nm , 或 小 于 单 个 金 原 子宽 度 的 一 半 。 (如 将 这 些 反 射 镜 的 面 积 扩 大 ,足 以 复 盖 大 西 洋 , 其 最 大 的 纹 波 高 度 小 于 1mm )。 经 四 个 月 抛 光 后 , 这 些 反 射 镜 在 地 下车 间 制 造 ,
3、以 减 少 振 动 和 提 供 稳 定 的 温 度 环境 。 如 果 望 远 镜 想 要 达 到 寻 找 几 十 万 个 将 被XMM 发 现 的 新 X 射 线 源 的 目 的 , 必 须 要 有这 样 的 精 度 。直 到 现 在 , 跟 踪 发 现 许 多 X 射 线 源 和 星系 极 端 困 难 , 因 为 它 们 在 可 见 光 区 非 常 微 弱 。用 可 见 和 近 紫 外 光 研 究 用 观 察 站 的 X 射 线仪 器 研 究 过 的 相 同 天 空 , 光 学 监 测 站 将 会 克服 这 个 问 题 。 它 还 包 括 一 台 谱 仪 , 使 天 文 学 家知 道 关 于
4、 被 观 察 物 体 的 温 度 和 组 成 等 更 多 信息 。如 果 所 有 这 些 都 进 行 得 顺 利 , XMM 将使 X 射 线 天 文 学 发 生 革 命 。 或 许 能 发 现 100万 个 新 X 射 线 源 , 从 爆 炸 的 星 球 到 炽 热 的 星际 气 体 和 正 被 扫 进 黑 洞 的 物 质 盘 。(范 品 忠 供 稿 )收 稿 日 期 : 2001 06 01X 射 线 的 穿 透 深 度高 鸿 奕 谢 红 兰 陈 建 文 徐 至 展(中 科 院 上 海 光 机 所 , 上 海 201800)提 要 X 射 线 的 穿 透 深 度 对 硬 X 射 线 而 言
5、 , 穿 透 力 是 很 强 的 。 对 于 软 X 射 线 , 则 几 乎 是 不 透 明的 , 它 随 着 波 长 的 增 加 而 减 弱 。 X 射 线 的 穿 透 能 力 对 不 同 的 物 质 相 差 也 可 达 10 个 量 级 以 上 。关 键 词 X 射 线 , X 射 线 显 微 术1 从 伦 琴 发 现 X 射 线 说 起X 射 线 能 穿 透 多 深 ? 这 似 乎 是 一 个 无 须多 加 讨 论 的 问 题 , 因 为 X 射 线 常 常 给 人 们 一个 穿 透 能 力 很 强 的 印 象 。 翻 开 X 射 线 发 现 的历 史 , 似 乎 能 一 目 了 然 。
6、1895 年 11 月 8 日 傍 晚 , 伦 琴 正 在 维 尔汉 堡 大 学 做 着 阴 极 射 线 管 中 气 体 放 电 的 实验 。 为 了 避 免 可 见 光 的 影 响 , 特 地 用 黑 纸 将 放电 室 包 封 , 以 防 止 阴 极 射 线 和 可 见 光 的 干 扰 。当 把 高 压 加 到 放 电 管 上 时 , 一 个 奇 怪 的 现 象发 生 了 : 在 离 放 电 管 1 m 多 远 的 实 验 台 上 出现 浅 绿 色 的 亮 光 。 经 过 认 真 观 察 发 现 是 从 一块 涂 有 铂 氰 酸 钡 的 纸 屏 上 发 出 的 。 他 将 纸 屏移 远 至
7、2 m 还 有 荧 光 ; 他 又 将 纸 屏 翻 转 过来 , 仍 有 莹 光 出 现 。 这 时 伦 琴 已 经 意 识 到 , 这不 是 阴 极 射 线 , 而 是 一 种 以 前 从 未 发 现 过 的射 线 , 他 把 这 种 神 秘 的 未 知 射 线 叫 作 X 射72激 光 与 光 电 子 学 进 展 2001 年 第 11 期 (总 第 431 期 ) 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/线 。在 接 下 去 的 七 周 中 , 他 对
8、 这 种 射 线 的 性质 作 了 进 一 步 研 究 。 发 现 这 种 射 线 是 直 线 传播 , 既 不 折 射 , 也 不 被 磁 场 偏 转 , 尤 其 是 有 很强 的 穿 透 性 , 能 透 过 上 千 页 的 图 书 , 穿 过 23 cm 的 木 板 , 15 mm 厚 的 铝 板 , 但 透 不 过 几毫 米 的 铅 板 。 更 有 趣 的 是 , 在 更 换 各 种 阻 挡 物时 , 他 发 现 了 自 己 手 指 骨 的 轮 廓 。 于 是 , 1895年 12 月 22 日 , 伦 琴 用 这 种 射 线 给 他 夫 人 拍了 世 界 上 第 一 张 骨 胳 的 X
9、 光 照 片 , 照 片 上 指骨 和 结 婚 戒 指 清 晰 可 见 。 当 伦 琴 公 布 他 的 研究 报 告 时 , 全 世 界 为 之 轰 动 。X 射 线 在 被 发 现 三 个 月 后 , 便 在 维 也 纳的 医 院 里 首 次 用 于 人 体 拍 片 。 科 学 上 的 一 个重 大 发 现 , 能 被 如 此 快 地 应 用 到 实 际 中 去 , 也是 罕 见 的 。伦 琴 也 因 此 在 1901 年 12 月 获 得 了 历 史上 第 一 个 诺 贝 尔 物 理 学 奖 。 可 见 , X 射 线 从 被发 现 开 始 , 便 以 它 的 强 穿 透 性 而 著 称
10、于 世 。2 X 射 线 的 本 质经 过 近 百 年 的 探 索 与 发 展 , 人 们 已 经 发现 了 X 射 线 具 有 各 种 波 长 , 对 其 本 质 也 作 了全 面 的 了 解 。 人 们 发 现 X 射 线 的 本 质 和 光 一样 , 也 是 一 种 电 磁 辐 射 , 它 复 盖 了 从 0101 nm到 10 nm 的 很 宽 的 波 段 范 围 , 在 电 磁 波 谱 中处 于 紫 外 线 和 C射 线 之 间 。 对 应 的 能 量 范 围从 125 eV 到 125 keV。 通 常 把 能 量 较 高 的 X射 线 称 为 硬 X 射 线 , 波 长 在 01
11、01 nm 011nm 之 间 ; 波 长 在 011 nm 以 上 的 则 称 为 软 X射 线 。人 们 所 熟 知 的 具 有 很 强 穿 透 力 的 X 射线 , 仅 仅 是 整 个 X 射 线 谱 中 的 一 部 分 。 并 非所 有 的 X 射 线 都 具 有 很 强 的 穿 透 能 力 。 同 一种 X 射 线 , 在 不 同 物 质 中 的 穿 透 能 力 也 有 明显 差 异 1 。 如 : 对 “ 水 窗 ” 波 段 的 软 X 射 线 而言 , 它 穿 透 生 物 样 品 的 能 力 只 有 几 十 个 微米 2 。3 X 射 线 的 穿 透 深 度X 射 线 的 穿 透
12、 深 度 可 以 表 示 为t0 = 1Lm Q(1)t0 为 X 射 线 由 初 始 强 度 衰 减 到 e- 1 倍 时 所 穿过 的 样 品 厚 度 , Lm 为 物 质 的 质 量 吸 收 系 数 , Q为 物 质 密 度 。表 1 列 出 了 X 射 线 对 几 种 典 型 物 质 的穿 透 深 度 及 其 吸 收 系 数 。表 1 X 射 线 在 部 分 元 素 中 的 质 量 吸 收 系 数 Lm (cm 2 g)及 穿 透 深 度 t0 (cm )元 素 波 长 (nm )0101 0105 011 015 110 210H Lm 0129 0140 0145 2112 131
13、7 69t0 3186 104 2180 104 2149 104 5128 103 81714 16213Be Lm 0113 0119 0153 44191 312 2178t0 4120 2188 1103 01012 0100175 2151 10- 4C Lm 0114 0131 1154 13914 970 6760t0 2103 1109 01184 0100204 2193 10- 4 4120 10- 5N Lm 0114 0140 2137 21416 1495 10413t0 571413 200010 33716 3173 01535 010768O Lm 0114 0
14、153 3145 31213 2175 15149t0 499510 131914 20217 2124 01322 010462Fe Lm 0126 13123 92136 1029 7173 4656t0 01487 9157 10- 3 1137 10- 3 1123 10- 4 1176 10- 5 2172 10- 5Pb Lm 3141 4917 6616 1098 7648 22997t0 010255 1175 10- 3 1131 10- 3 7193 10- 5 1114 10- 5 3179 10- 682 激 光 与 光 电 子 学 进 展 2001 年 第 11 期
15、(总 第 431 期 ) 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/上 表 中 H、 N、 O 的 穿 透 深 度 分 别 根 据 各元 素 对 应 的 单 质 气 体 密 度 计 算 , C 元 素 的 单质 按 金 刚 石 计 算 。图 1 部 分 元 素 的 X 射 线 衰 减 系 数 及 穿 透 深 度图 2 X 射 线 线 性 吸 收 系 数 和 电 子 线 性 散 射 系 数由 表 1 及 图 1 中 的 数 据 可 以 看 出 X 射线 的 穿
16、透 能 力 在 0101 nm 到 210 nm 范 围 内对 不 同 的 物 质 相 差 可 达 10 个 量 级 以 上 。 即 使对 同 一 种 物 质 , 穿 透 深 度 也 有 4 个 量 级 的 变化 。 只 有 波 长 较 短 的 硬 X 射 线 才 有 比 较 大 的穿 透 深 度 。 对 于 较 长 波 段 的 软 X 射 线 来 说 ,在 固 体 中 的 穿 透 深 度 只 有 微 米 量 级 , 在 空 气中 也 不 到 1 mm。 显 然 对 这 个 波 段 的 X 射 线来 说 几 乎 没 有 透 明 的 物 质 , X 射 线 只 能 在 真空 或 H 2、 H e
17、 气 体 中 才 能 传 播 较 长 的 距 离 。值 得 注 意 的 一 个 有 趣 现 象 是 : 处 于 213 414 nm 波 段 的 软 X 射 线 有 一 种 特 殊 性 质 ,就 是 它 对 水 的 透 过 率 比 对 蛋 白 质 或 碳 水 化 合物 的 透 过 率 高 将 近 一 个 数 量 级 。 这 就 是 所 谓的 “ 水 窗 ” (见 图 2)波 段 。4 X 射 线 的 应 用 前 景“ 水 窗 ” 波 段 的 X 射 线 的 特 殊 性 质 , 为 其对 生 物 样 品 的 成 像 提 供 了 天 然 对 比 度 增 强 机制 3 , 使 得 “ 水 窗 ” 波
18、 段 的 成 像 方 法 成 为 对 生物 样 品 成 像 强 有 力 的 竞 争 者 。 目 前 正 在 发 展中 的 X 射 线 显 微 术 就 是 应 用 之 一 。 相 比 之下 , 电 子 显 微 镜 的 电 子 束 对 蛋 白 质 和 水 , 其 透过 率 没 有 多 大 差 异 (见 图 2) , 穿 透 能 力 也 很差 , 一 般 的 高 能 电 子 束 约 在 011 Lm 以 下 , 因此 需 要 首 先 对 样 品 进 行 脱 水 、 染 色 、 切 片 等 人工 处 理 4 后 才 能 成 像 , 不 能 反 映 活 性 状 态 下的 样 品 信 息 。把 X 射 线
19、 的 穿 透 性 和 相 干 性 结 合 起 来 ,还 可 以 拍 摄 X 射 线 全 息 图 。 X 射 线 全 息 图 不但 能 记 录 样 品 的 表 面 信 息 , 而 且 能 记 录 样 品深 部 的 信 息 。 记 录 的 全 息 图 不 但 可 以 用 通 常的 光 学 方 法 观 察 经 过 放 大 的 全 息 像 , 也 可 用计 算 机 进 行 数 字 重 现 , 得 到 一 系 列 从 不 同 角度 观 察 的 各 个 断 层 中 具 有 一 定 三 维 立 体 度 的图 像 。 而 用 电 子 显 微 镜 仅 仅 获 得 平 面 的 断 层图 像 。 因 此 X 射 线
20、 全 息 对 于 在 细 胞 水 平 上 对生 物 样 品 作 全 面 的 、 整 体 的 、 动 态 的 分 析 有 着极 其 重 要 的 意 义 。迄 今 为 止 , 由 于 X 射 线 的 热 破 坏 , 我 们还 无 法 观 察 活 细 胞 的 内 部 结 构 。 然 而 X 射 线激 光 的 研 究 进 展 , 为 我 们 提 供 了 这 方 面 的 可能 性 。 利 用 X 射 线 激 光 的 高 亮 度 和 短 脉 冲 的92激 光 与 光 电 子 学 进 展 2001 年 第 11 期 (总 第 431 期 ) 1994-2009 China Academic Journal
21、Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/优 点 , 使 得 在 生 物 样 品 热 破 坏 之 前 , 就 已 经 记录 完 毕 X 射 线 全 息 图 。 这 使 我 们 不 但 有 可 能观 察 活 细 胞 的 内 部 结 构 , 而 且 可 能 看 到 细 胞内 部 分 子 构 成 的 变 化 过 程 。 例 如 , 负 责 感 觉 细胞 接 收 信 号 的 分 子 构 成 的 变 化 、 和 视 网 膜 细胞 中 类 脂 双 层 盘 上 生 物 大 分 子 的 光 化 学 变化 , 以 及 信 号 从 一 个 神
22、经 细 胞 传 递 到 另 一 个神 经 细 胞 时 , 神 经 传 递 质 泡 如 何 穿 越 前 突 触膜 等 生 物 学 过 程 仍 然 是 一 些 悬 而 未 决 的 谜 。X 射 线 的 特 殊 性 质 , 必 将 成 为 生 命 科 学研 究 最 有 效 的 手 段 之 一 。 目 前 还 难 以 推 测 它将 为 生 命 科 学 带 来 何 等 惊 人 的 变 化 。参 考 文 献1 J. C. Solem , G. C. Baldw in, S icence , 1982, 218: 2292 R. A. London, M. D. Rosen, J. E. T rebes,
23、A pp l. O p t. ,1989, 28: 33973 高 鸿 奕 , 陈 建 文 等 , 软 X 射 线 显 微 术 . 自 然 杂 志 , 2001,23 (1) : 33 394 陈 建 文 , 徐 至 展 , 朱 佩 平 等 , X 射 线 全 息 术 . 物 理 学 进展 , 1995, 15 (2) : 125 147The Penetration of X-RaysGao Hongyi X ie Honglan Chen J ianw en Xu Zh izhan(S hang hai Institu te of O p tics and F ine M echanics
24、, A cad em ia, S inica, S hang hai 201800)Abstract T he penetrability is different betw een hard X2ray and soft X2ray. It is verystrong for hard X2ray and turnsw eak w ith the increasing of the w avelength. A s for softX2ray, it is almost opacity. T he penetration of X2rays differs by 10 orders of m
25、 agnitudein region of 0. 01 nm to 2. 0 nm.(上 接 第 14 页 )7 小 结本 文 介 绍 了 把 数 值 孔 径 0185 的 二 组 透镜 与 GaN 半 导 体 激 光 器 组 合 在 一 起 , 采 用DVD 大 小 的 相 变 媒 体 可 以 实 现 22 Gbyte 大容 量 光 盘 记 录 重 现 装 置 。 新 设 计 的 二 组 小 直径 非 球 面 透 镜 、 宽 带 二 轴 电 磁 传 动 装 置 大 幅度 提 高 了 高 数 值 孔 径 光 学 传 感 器 的 焦 点 及 磁道 控 制 性 能 , 可 以 作 为 高 传 输
26、速 度 光 盘 装 置使 用 , 并 充 分 确 保 其 性 能 。 作 为 短 波 长 光 源 使用 的 GaN 半 导 体 激 光 器 作 为 相 干 光 源 , 在 调制 性 能 和 噪 声 性 能 方 面 都 具 有 良 好 的 特 性 ,希 望 它 能 成 为 新 一 代 光 盘 装 置 的 关 键 部 件 。现 在 已 实 用 化 的 只 有 输 出 5 mW 的 低 输 出 产品 , 希 望 不 久 的 将 来 , 可 作 为 光 盘 记 录 装 置 光源 使 用 的 高 输 出 产 品 也 能 实 用 化 。从 采 用 红 外 半 导 体 激 光 器 和 数 值 孔 径016
27、物 镜 的 DVD 记 录 容 量 来 看 , 利 用 本 文 所介 绍 的 光 学 传 感 器 完 全 能 实 现 容 量 24 25Gbyte 的 光 盘 。 目 前 把 记 录 容 量 控 制 在 22Gbyte 的 原 因 , 主 要 由 于 记 录 时 存 在 着 热 干涉 2交 叉 写 , 达 不 到 所 要 求 的 磁 道 密 度 。 今 后的 课 题 是 在 提 高 记 录 密 度 的 同 时 , 进 一 步 实现 高 速 度 传 输 , 以 及 可 大 容 量 化 的 二 层 记 录重 现 。 (江 涛 ; 颜 艳 珠 供 稿 )03 激 光 与 光 电 子 学 进 展 2001 年 第 11 期 (总 第 431 期 ) 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/
