X射线显微镜基础知识

更新时间：2026-08-26

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X射线显微镜是一种能够利用X射线作为光源观察物体结构的显微镜。

当X射线照射到物质上时，会获得各种信号，但在X射线显微镜中，观测主要使用透射（吸收）X射线和荧光X射线。 X射线透光率很高，通过利用本质上衰减物质内部结构、厚度和组成的反应，可以获得增强对比度的图像。

此外，通过在旋转样品并构建三维结构的过程中持续获取图像，可以获得断层扫描图像（通常称为CT）。一般来说，在使用电磁波的显微镜中，空间分辨率取决于其波长。 X射线的波长比可见光短100到10,000倍，从而能够获得高清图像。

X射线显微镜主要用于工业领域的研发以及制造现场的检测。由于X射线支持非接触和无损检测，常用于零件缺陷检测和特征测试。此外，还可以对岩石及其他材料进行结构评估，并获取用于新原材料表征的参数。

在半导体制造领域，它越来越多地被用于表征经过超微制造的产品。在观测含水量较高的生物样本时，使用低吸收水分的X射线波长范围可以获得高对比度图像。

X射线显微镜用X射线照射样品，利用从物质中获得的透射（吸收）X射线和荧光X射线等信号来获取图像并进行组分分析。所用的X射线波长通常是1~10纳米范围内的软X射线。特别是2.3~4.3纳米区域的吸水率极低，被称为“水窗"，用于生物样本观测及类似目的。

X射线显微镜包括利用X射线透射率作为对比度捕捉图像的显微镜，以及通过X射线照射产生的荧光X射线的显微镜。荧光X射线是由X射线照射激发材料中内壳电子而释放的X射线现象获得的信号，该现象对应于内外壳层电子被松弛成空穴。

由于荧光X射线具有原子独特的波长，它们也可以应用于元素分析及其他应用。此外，X射线显微镜的光学系统根据是否包含光学元件大致分为两类。在无光学元件的X射线显微镜中，观察采用称为投影放大和近距离接触的方法。

由于无法用X射线波透镜进行放大，放大是通过物理上将样品与成像平面分离来实现的。使用光学元件的成像方法通过使用利用光的区域板，或使用全层或多层胶片反射的镜子实现。

X射线显微镜以X射线为光源，而电子显微镜则通过将电子束照射到样品上来放大图像。电子束是电子的快速流动。原子由质子和中子组成的原子核，周围环绕着电子。当质子、中子和电子被称为加速器的装置加速到高速度时，它们会变成质子射线、中子射线和电子束等辐射。

与X射线不同，电子束是粒子射线，因此其穿透力有限。电子束的穿透力由加速电压决定：加速电压越高，电子能到达的深度越深;被照射物体的密度越低，电子穿透得越深。

透射电子显微镜（TEM）：
将电子束照射到薄膜样品上，透射的电子束通过电子透镜，在电子束发射的荧光粉上形成放大图像。电子透镜通过电场或磁场弯曲电子束，形成图像。

扫描电子显微镜（SEM）在
真空中缩窄电子束并进行辐照，以扫描样品表面，以检测样品发射的次级电子和反射电子。次级电子是指被照射的电子束击出样品中其他电子，而反射电子则是照射后的电子从样品表面反射出来的电子。

通过将X射线探测器连接到扫描电子显微镜，也可以用作X射线分析仪，检查样品中元素的类型和数量。

它是一种使用硬X射线探针的X射线显微镜。硬X射线的波长约为0.1纳米，较短，理论上可实现更高的分辨率。与物质的相互作用不仅包括透射（吸收）、折射和反射，还包括光电子、荧光X射线、弹性散射、非弹性散射、磁吸收、散射等。

此外，由于其高度的透明度，可以进行无损观测，并且也用于大气中的测量。扫描X射线显微镜由聚焦X射线、扫描样品台和探测器组成。扫描样品时，它会进行X射线分析（透射X射线、荧光X射线、散射X射线等），以显示各种信息。