تضاريس حيود الأشعة السينية

التصوير الطبوغرافي الحيودي (اختصارًا: "التصوير الطبوغرافي" ) هو تقنية تصوير تعتمد على حيود براغ . تسجل صور التصوير الطبوغرافي الحيودي ("التصوير الطبوغرافي") توزيع شدة حزمة من الأشعة السينية (أو أحيانًا النيوترونات ) المنحرفة بواسطة بلورة . وبالتالي، يمثل التصوير الطبوغرافي خريطة ثنائية الأبعاد لتوزيع شدة الأشعة السينية المنحرفة في اتجاه محدد، لذا ستظهر المناطق التي تحيد بشكل كبير أكثر سطوعًا من تلك التي لا تحيد. وهذا يُعادل البنية الدقيقة المكانية لانعكاس لاوي . غالبًا ما تكشف الصور الطبوغرافية عن عدم انتظام الشبكة البلورية غير المثالية. يُعد التصوير الطبوغرافي الحيودي بالأشعة السينية أحد أنواع التصوير بالأشعة السينية، حيث يستخدم تباين الحيود بدلًا من تباين الامتصاص المستخدم عادةً في التصوير الشعاعي والتصوير المقطعي المحوسب. يُستخدم التصوير الطبوغرافي بدرجة أقل مع النيوترونات ، وهو نفس مفهوم التصوير بالمجال المظلم في المجهر الإلكتروني .

تُستخدم تقنية التصوير الطبوغرافي لمراقبة جودة البلورات وتصوير العيوب في العديد من المواد البلورية المختلفة. وقد أثبتت جدواها، على سبيل المثال، عند تطوير طرق جديدة لنمو البلورات، لمراقبة النمو وجودة البلورات المُحققة، ولتحسين ظروف النمو بشكل متكرر. في كثير من الحالات، يمكن تطبيق التصوير الطبوغرافي دون تحضير العينة أو إتلافها بأي شكل من الأشكال؛ ولذلك فهي تُعدّ أحد أنواع الاختبارات غير المُتلفة .

تاريخ

بعد اكتشاف الأشعة السينية على يد فيلهلم رونتجن عام ١٨٩٥، ومبادئ حيود الأشعة السينية على يد لاو وعائلة براغ ، استغرق الأمر عدة عقود قبل أن تُدرك فوائد تصوير الحيود بشكل كامل، وقبل تطوير أولى التقنيات التجريبية المفيدة. تعود أولى التقارير المنهجية عن تقنيات التضاريس المختبرية إلى أوائل أربعينيات القرن العشرين. وفي خمسينيات وستينيات القرن العشرين، لعبت الدراسات التضاريسية دورًا في الكشف عن طبيعة العيوب وتحسين طرق نمو البلورات للجرمانيوم (ولاحقًا السيليكون ) كمواد للإلكترونيات الدقيقة لأشباه الموصلات .

للحصول على سرد أكثر تفصيلاً للتطور التاريخي للطبوغرافيا، انظر جيه إف كيلي - "تاريخ موجز للطبوغرافيا باستخدام حيود الأشعة السينية". ^{[ 1 ]}

منذ حوالي سبعينيات القرن العشرين، استفادت التضاريس من ظهور مصادر الأشعة السينية السنكروترونية التي وفرت حزم أشعة سينية أكثر كثافة بشكل ملحوظ، مما يسمح بأوقات تعريض أقصر، وتباين أفضل، ودقة مكانية أعلى، ودراسة عينات أصغر أو ظواهر سريعة التغير.

كانت التطبيقات الأولية للطبوغرافيا في مجال علم المعادن، حيث استُخدمت للتحكم في نمو بلورات أفضل لمختلف المعادن. ثم امتد استخدامها لاحقًا ليشمل أشباه الموصلات، وبشكل عام، مواد الإلكترونيات الدقيقة. ومن المجالات ذات الصلة دراسة المواد والأجهزة المستخدمة في بصريات الأشعة السينية، مثل بلورات أحادي اللون المصنوعة من السيليكون أو الجرمانيوم أو الماس، والتي تتطلب فحصًا دقيقًا للكشف عن العيوب قبل استخدامها. أما تطبيقات الطبوغرافيا على البلورات العضوية فهي أحدث نسبيًا. واليوم، لا تقتصر تطبيقات الطبوغرافيا على البلورات الحجمية من أي نوع، بما في ذلك رقائق أشباه الموصلات، بل تشمل أيضًا الطبقات الرقيقة، والأجهزة الإلكترونية الكاملة، بالإضافة إلى المواد العضوية مثل بلورات البروتين وغيرها.

المبدأ الأساسي للتضاريس

تعتمد تقنية التصوير الطبوغرافي الحيودي على مبدأ أساسي، وهو سقوط حزمة ضوئية ممتدة مكانيًا (غالبًا من الأشعة السينية أو النيوترونات) على عينة. قد تكون هذه الحزمة أحادية اللون، أي تتكون من طول موجي واحد من الأشعة السينية أو النيوترونات، أو متعددة الألوان، أي تتكون من مزيج من أطوال موجية مختلفة ("التصوير الطبوغرافي بالحزمة البيضاء"). علاوة على ذلك، قد تكون الحزمة الساقطة متوازية، أي تتكون فقط من "أشعة" تنتشر في اتجاه واحد تقريبًا، أو متباعدة/متقاربة، أي تحتوي على عدة اتجاهات انتشار مختلفة بشكل ملحوظ.

عندما يصطدم الشعاع بالعينة البلورية، يحدث حيود براغ ، أي أن الموجة الساقطة تنعكس بواسطة الذرات الموجودة على مستويات شبكية معينة من العينة، إذا اصطدمت بتلك المستويات بزاوية براغ المناسبة . يمكن أن يحدث الحيود من العينة إما في هندسة الانعكاس ( حالة براغ )، حيث يدخل الشعاع ويخرج من السطح نفسه، أو في هندسة النفاذ ( حالة لاوي ). ينتج عن الحيود شعاع محيّد، يغادر العينة وينتشر في اتجاه يختلف عن اتجاه السقوط بزاوية تشتت. $2\theta _{B}$ .

قد يكون المقطع العرضي للشعاع المنعكس مطابقًا أو مختلفًا عن المقطع العرضي للشعاع الساقط. في حالة الانعكاسات غير المتناظرة بشدة، يتمدد حجم الشعاع (في مستوى الانعراج) أو يتقلص بشكل ملحوظ، حيث يحدث التمدد إذا كانت زاوية السقوط أصغر بكثير من زاوية الخروج، والعكس صحيح. وبغض النظر عن تمدد الشعاع هذا، فإن نسبة حجم العينة إلى حجم الصورة تُحدد بزاوية الخروج وحدها: إذ يُصغّر الحجم الجانبي الظاهري لخصائص العينة الموازية لسطح الخروج في الصورة بفعل تأثير إسقاط زاوية الخروج.

تُنتج العينة المتجانسة (ذات الشبكة البلورية المنتظمة) توزيعًا متجانسًا للكثافة في الصورة الطبوغرافية (صورة "مسطحة" بدون تباين). تنشأ تعديلات الكثافة (التباين الطبوغرافي) من عدم انتظام الشبكة البلورية، والناجم عن أنواع مختلفة من العيوب مثل

الفراغات والشوائب في البلورة
حدود الطور (مناطق ذات طور بلوري مختلف، متعدد الأنماط، ...)
مناطق معيبة، مناطق غير بلورية (غير متبلورة) / شوائب
شقوق، خدوش سطحية
أخطاء التراكم
الانخلاعات، حزم الانخلاعات
حدود الحبيبات، جدران النطاقات
خطوط النمو
العيوب النقطية أو تجمعات العيوب
تشوه البلورات
مجالات الإجهاد

في كثير من حالات العيوب مثل الانخلاعات، لا تكون التضاريس حساسة بشكل مباشر للعيوب نفسها (البنية الذرية لنواة الانخلاع)، ولكنها في الغالب حساسة لمجال الإجهاد المحيط بمنطقة العيب.

نظرية

تعتمد الأوصاف النظرية لتكوين التباين في التصوير الطبوغرافي بالأشعة السينية بشكل كبير على النظرية الديناميكية للحيود . يُعد هذا الإطار مفيدًا في وصف العديد من جوانب تكوين الصورة الطبوغرافية: دخول مجال موجة الأشعة السينية إلى البلورة، وانتشار مجال الموجة داخل البلورة، وتفاعل مجال الموجة مع عيوب البلورة، وتغيير انتشار مجال الموجة بفعل إجهادات الشبكة المحلية، والحيود، والتشتت المتعدد، والامتصاص.

لذا، تُعدّ هذه النظرية مفيدةً في كثير من الأحيان لتفسير الصور الطبوغرافية لعيوب البلورات. لا يُمكن في كثير من الأحيان استنتاج الطبيعة الدقيقة للعيوب مباشرةً من الصورة المرصودة (أي أن "الحساب العكسي" يُعدّ إشكاليًا). بدلًا من ذلك، يجب وضع افتراضات حول بنية العيوب، واستنتاج صورة افتراضية من البنية المفترضة ("الحساب الأمامي"، استنادًا إلى النظرية)، ومقارنتها بالصورة التجريبية. إذا لم يكن التطابق بينهما كافيًا، يجب تعديل الافتراضات حتى يتم التوصل إلى تطابق كافٍ. وبالتالي، تُعدّ الحسابات النظرية، ولا سيما المحاكاة العددية الحاسوبية القائمة على هذه النظرية، أداةً قيّمةً لتفسير الصور الطبوغرافية.

آليات التباين

تكون الصورة الطبوغرافية لبلورة منتظمة ذات شبكة بلورية منتظمة تمامًا، مضاءة بشعاع متجانس، منتظمة (بدون تباين). ينشأ التباين عند حدوث تشوهات في الشبكة البلورية (عيوب، بلورات مائلة، إجهاد)؛ أو عندما تتكون البلورة من عدة مواد أو أطوار مختلفة؛ أو عندما يتغير سمك البلورة عبر نطاق الصورة.

تباين عامل البنية

يتغير حيود الضوء من مادة بلورية، وبالتالي شدة الشعاع المحيود، بتغير نوع وعدد الذرات داخل وحدة الخلية البلورية . ويُعبر عن هذه الحقيقة كميًا بعامل البنية . تختلف عوامل البنية باختلاف المواد، وكذلك باختلاف أطوار المادة نفسها (مثل المواد التي تتبلور في عدة مجموعات فراغية مختلفة ). في العينات المكونة من خليط من المواد/الأطوار في نطاقات متجاورة مكانيًا، يمكن تحديد هندسة هذه النطاقات من خلال التضاريس. وينطبق هذا، على سبيل المثال، على البلورات التوأمية، والنطاقات الفيروكهربائية، وغيرها الكثير.

تباين الاتجاه

عندما تتكون البلورة من بلورات صغيرة ذات اتجاهات شبكية متفاوتة، ينشأ تباين طوبوغرافي: في التصوير الطوبوغرافي بالموجات المستوية، تكون بلورات مختارة فقط في وضع حيود، مما ينتج عنه شدة حيود في أجزاء معينة من الصورة. عند تدوير العينة، تختفي هذه البلورات، وتظهر بلورات أخرى في الصورة الطوبوغرافية الجديدة كبلورات ذات حيود قوي. أما في التصوير الطوبوغرافي بالشعاع الأبيض، فإن جميع البلورات ذات الاتجاهات المختلفة تحيد الضوء في آن واحد (كل منها عند طول موجي مختلف). ومع ذلك، تختلف زوايا خروج الأشعة المحيدة، مما يؤدي إلى تداخل مناطق ذات شدة عالية، بالإضافة إلى ظهور ظلال في الصورة، وبالتالي ينتج عنه تباين أيضًا.

بينما في حالة البلورات المائلة، وجدران النطاقات، وحدود الحبيبات، وما إلى ذلك، يحدث تباين في التوجيه على نطاق واسع، يمكن أيضًا توليده محليًا حول العيوب، على سبيل المثال بسبب مستويات الشبكة المنحنية حول نواة الخلع.

تباين الانقراض

يُعدّ نوع آخر من التباين الطبوغرافي، وهو تباين الانطفاء، أكثر تعقيدًا بعض الشيء. فبينما يمكن تفسير النوعين السابقين ببساطة استنادًا إلى النظرية الهندسية (قانون براغ أساسًا) أو النظرية الحركية لانعراج الأشعة السينية، يمكن فهم تباين الانطفاء استنادًا إلى النظرية الديناميكية .

نوعيًا، ينشأ تباين الانطفاء، على سبيل المثال، عندما يتغير سُمك العينة، مقارنةً بطول الانطفاء (في حالة براغ) أو طول بنديلوسونغ (في حالة لاوي)، عبر الصورة. في هذه الحالة، تُسجَّل الحزم الضوئية المنحرفة من مناطق ذات سُمك مختلف، والتي تعرضت لدرجات متفاوتة من الانطفاء، ضمن الصورة نفسها، مما يُؤدي إلى التباين. وقد درس علماء التضاريس هذا التأثير بشكل منهجي من خلال دراسة عينات إسفينية الشكل، ذات سُمك متغير خطيًا، مما يسمح بتسجيل اعتماد شدة الانطفاء على سُمك العينة مباشرةً في صورة واحدة، كما تنبأت به النظرية الديناميكية .

إضافةً إلى مجرد تغيرات السُمك، ينشأ تباين الانطفاء أيضًا عندما تحيد أجزاء من البلورة بقوى مختلفة، أو عندما تحتوي البلورة على مناطق مشوهة (مجهدة). تُسمى الكمية الحاكمة لنظرية شاملة لتباين الانطفاء في البلورات المشوهة بالاختلاف الفعال في التوجيه.

$\Delta \theta ({\vec {r}})={\frac {1}{{\vec {h}}\cdot \cos \theta _{B}}}{\frac {\partial }{\partial s_{\vec {h}}}}\left[{\vec {h}}\cdot {\vec {u}}({\vec {r}})\right]$

أين ${\vec {u}}({\vec {r}})$ هو حقل متجه الإزاحة، و ${\vec {s}}_{0}$ و ${\vec {s}}_{h}$ تمثل هذه الاتجاهات اتجاهي الشعاع الساقط والشعاع المنحرف، على التوالي.

بهذه الطريقة، تُترجم أنواع مختلفة من الاضطرابات إلى قيم مكافئة من عدم التوافق، ويمكن فهم تكوين التباين بشكل مشابه لتباين التوجيه. على سبيل المثال، تتطلب المادة المضغوطة زوايا براغ أكبر للحيود عند طول موجي ثابت. وللتعويض عن ذلك والوصول إلى شروط الحيود، يجب تدوير العينة، كما هو الحال في ميل الشبكة البلورية.

الصيغة المبسطة والأكثر "شفافية" التي تأخذ في الاعتبار التأثير المشترك للإمالات والإجهادات على التباين هي التالية:

$\Delta \theta ({\vec {r}})=-\tan \theta _{B}{\frac {\Delta d}{d}}({\vec {r}})\pm \Delta \varphi ({\vec {r}})$

وضوح العيوب؛ أنواع صور العيوب

لمناقشة وضوح العيوب في الصور الطبوغرافية وفقًا للنظرية، لنأخذ مثالًا على ذلك : خلعٌ واحد : لن يُحدث تباينًا في الصورة الطبوغرافية إلا إذا تشوهت مستويات الشبكة البلورية المشاركة في الانعراج بطريقة ما بسبب وجود الخلع. ينطبق هذا على حالة الخلع الحافي إذا كان متجه التشتت لانعكاس براغ المستخدم موازيًا لمتجه بورغرز للخلع، أو على الأقل له مركبة في المستوى العمودي على خط الخلع، ولكنه لا ينطبق إذا كان موازيًا لخط الخلع. في حالة الخلع اللولبي ، يجب أن يكون لمتجه التشتت مركبة على طول متجه بورغرز، الذي يكون الآن موازيًا لخط الخلع. وكقاعدة عامة، سيكون الخلع غير مرئي في الصورة الطبوغرافية إذا كان حاصل الضرب الاتجاهي

$\mathbf {g} \cdot \mathbf {b}$

يساوي صفرًا. (ستحتاج قاعدة أكثر دقة إلى التمييز بين الانخلاعات اللولبية والحافية، وإلى مراعاة اتجاه خط الانخلاع أيضًا). $l$ ^[²^]

إذا كان العيب مرئيًا، فغالبًا ما تظهر عدة صور مميزة له على الصورة الطبوغرافية، وليس صورة واحدة فقط. تتنبأ النظرية بثلاث صور للعيوب المفردة: ما يسمى بالصورة المباشرة، والصورة الحركية، والصورة الوسيطة. ^{[ 3 ]}

الدقة المكانية؛ التأثيرات المحددة

يمكن أن تكون الدقة المكانية التي يمكن تحقيقها في الصور الطبوغرافية محدودة بواحد أو أكثر من ثلاثة عوامل: دقة (حجم الحبيبات أو البكسل) الكاشف، والهندسة التجريبية، وتأثيرات الحيود الجوهرية.

أولًا، من الواضح أن الدقة المكانية للصورة لا يمكن أن تكون أفضل من حجم الحبيبات (في حالة الأفلام) أو حجم البكسل (في حالة أجهزة الكشف الرقمية) التي سُجلت بها. لهذا السبب، تتطلب دراسة التضاريس أفلام أشعة سينية عالية الدقة أو كاميرات CCD بأصغر أحجام بكسل متوفرة حاليًا. ثانيًا، يمكن أن تتشوش الدقة بشكل إضافي بفعل تأثير الإسقاط الهندسي. إذا كانت إحدى نقاط العينة "ثقبًا" في قناع معتم، فإن مصدر الأشعة السينية، ذو الحجم الجانبي المحدود S، يُصوَّر من خلال الثقب على مجال صورة محدود يُعطى بالصيغة التالية:

$\Delta x=S\cdot {\frac {d}{D}}={\frac {S}{D}}\cdot d$

حيث يُمثل I مدى انتشار صورة نقطة عينة واحدة في مستوى الصورة، وD المسافة بين المصدر والعينة، وd المسافة بين العينة والصورة. وتُشير النسبة S/D إلى الزاوية (بالراديان) التي يظهر بها المصدر من موضع العينة (الحجم الزاوي للمصدر، وهو ما يُعادل تباعد الشعاع الساقط عند نقطة عينة واحدة). وبالتالي، تكون الدقة المُمكنة في أفضل حالاتها مع المصادر الصغيرة، والمسافات الكبيرة بين العينة والكاشف. لهذا السبب، كان من الضروري وضع الكاشف (الفيلم) بالقرب من العينة في بدايات علم التضاريس؛ ولم يتسنَّ الحصول على قيم أكبر لـ d إلا في السنكروترونات، نظرًا لصغر حجم S وكبر حجم D (جدًا)، مما أتاح مرونة أكبر في تجارب التضاريس.

ثالثًا، حتى مع وجود كواشف مثالية وظروف هندسية مثالية، قد تتأثر رؤية خصائص التباين الخاصة، مثل صور الانخلاعات المفردة، بتأثيرات الحيود. فالانخلاع في مصفوفة بلورية مثالية لا يُظهر تباينًا إلا في المناطق التي يختلف فيها التوجه المحلي للشبكة البلورية عن التوجه المتوسط بأكثر من عرض داروين لانعكاس براغ المستخدم. ويُقدم وصف كمي لهذه الظاهرة من خلال النظرية الديناميكية لحيود الأشعة السينية . ونتيجة لذلك، وبشكل غير بديهي، تضيق عروض صور الانخلاعات عندما تكون منحنيات التأرجح المرتبطة بها كبيرة. لذا، تُعد الانعكاسات القوية ذات رتبة الحيود المنخفضة مناسبة بشكل خاص للتصوير الطبوغرافي. فهي تُمكّن علماء الطبوغرافيا من الحصول على صور ضيقة وواضحة للانخلاعات، وفصل الانخلاعات المفردة حتى عندما تكون كثافة الانخلاعات في المادة عالية نسبيًا. في الحالات الأقل ملاءمة (انعكاسات ضعيفة وعالية الرتبة، طاقات فوتونية عالية)، تصبح صور الانخلاعات واسعة ومنتشرة ومتداخلة عند كثافات الانخلاعات العالية والمتوسطة. أما المواد عالية التنظيم وذات الانعراج القوي - مثل المعادن أو أشباه الموصلات - فهي عمومًا لا تُمثل مشكلة، في حين أن بلورات البروتين، على سبيل المثال، تُشكل تحديًا خاصًا للتصوير الطبوغرافي.

إلى جانب عرض داروين للانعكاس، قد يعتمد عرض صور الانخلاعات المفردة أيضًا على متجه بورغرز للانخلاع، أي طوله واتجاهه (بالنسبة لمتجه التشتت)، وفي تصوير الموجات المستوية، على الانحراف الزاوي عن زاوية براغ الدقيقة. ويخضع هذا الاعتماد الأخير لقانون التبادل، ما يعني أن صور الانخلاعات تضيق عكسيًا مع ازدياد المسافة الزاوية. ولذلك، تُعد ظروف الحزمة الضعيفة مواتية للحصول على صور انخلاعات ضيقة.

التنفيذ التجريبي – الأجهزة

لإجراء تجربة طبوغرافية، يلزم وجود ثلاث مجموعات من الأدوات: مصدر للأشعة السينية، والذي قد يشمل بصريات الأشعة السينية المناسبة؛ ومنصة عينة مع معالج عينة (مقياس حيود)؛ وكاشف ثنائي الأبعاد (غالبًا فيلم أشعة سينية أو كاميرا).

مصدر الأشعة السينية

يُنتج شعاع الأشعة السينية المستخدم في التصوير الطبوغرافي بواسطة مصدر للأشعة السينية، عادةً ما يكون أنبوب أشعة سينية مخبري (ثابت أو دوار) أو مصدر سنكروترون . يتميز الأخير بمزايا عديدة، منها شدة شعاعه العالية، وانخفاض تباعده، وطيفه الموجي المتصل. مع ذلك، لا تزال أنابيب الأشعة السينية مفيدة لسهولة الوصول إليها وتوفرها المستمر، وغالبًا ما تُستخدم للفحص الأولي للعينات و/أو تدريب الموظفين الجدد.

في التصوير الطبوغرافي باستخدام حزمة الأشعة البيضاء، لا يتطلب الأمر الكثير: في أغلب الأحيان، تكفي مجموعة من الشقوق لتحديد شكل الحزمة بدقة، ونافذة خروج مفرغة (مصقولة جيدًا). أما في تقنيات التصوير الطبوغرافي التي تتطلب حزمة أشعة سينية أحادية اللون ، فيُعدّ مُوحِّد اللون البلوري الإضافي ضروريًا. يتمثل التكوين النموذجي في مصادر السنكروترون في دمج بلورتين من السيليكون، لكل منهما سطحان موجهان بالتوازي مع مستويات الشبكة [111]، في اتجاهين هندسيين متعاكسين. يضمن هذا كثافة عالية نسبيًا، وانتقائية جيدة للطول الموجي (حوالي جزء واحد من 10000)، وإمكانية تغيير الطول الموجي المستهدف دون الحاجة إلى تغيير موضع الحزمة ("مخرج ثابت").

مرحلة العينة

لوضع العينة قيد الدراسة في مسار شعاع الأشعة السينية، يلزم استخدام حامل عينات. في حين أن حاملًا بسيطًا ثابتًا قد يكون كافيًا في بعض الأحيان في تقنيات الشعاع الأبيض، فإن التجارب التي تستخدم تقنيات أحادية اللون تتطلب عادةً درجة حرية واحدة أو أكثر للحركة الدورانية. لذلك، توضع العينات على جهاز حيود الأشعة السينية ، مما يسمح بتوجيهها على طول محور واحد أو محورين أو ثلاثة محاور. إذا لزم تحريك العينة، مثلاً لمسح سطحها عبر الشعاع على عدة مراحل، يلزم توفير درجات حرية انتقالية إضافية.

كاشف

بعد تشتت شعاع الأشعة السينية بواسطة العينة، يجب رصد شكله باستخدام كاشف أشعة سينية ثنائي الأبعاد. يُعد الفيلم الحساس للأشعة السينية الكاشف التقليدي، مع استخدام الصفائح النووية كبديل تقليدي. تمثلت الخطوة الأولى بعد هذه الكواشف "غير المتصلة" في ما يُسمى بألواح الصور، على الرغم من محدودية سرعة القراءة والدقة المكانية. منذ منتصف التسعينيات تقريبًا، برزت كاميرات CCD كبديل عملي، لما توفره من مزايا عديدة، مثل سرعة القراءة المباشرة وإمكانية تسجيل سلسلة صور كاملة في الموقع. أصبحت كاميرات CCD الحساسة للأشعة السينية، وخاصة تلك ذات الدقة المكانية في نطاق الميكرومتر، راسخة الآن ككواشف إلكترونية لرسم الخرائط الطبوغرافية. قد يكون كاشف البكسل خيارًا واعدًا للمستقبل ، على الرغم من أن دقته المكانية المحدودة قد تحد من فائدته في هذا المجال.

تشمل المعايير العامة للحكم على الفائدة العملية لأجهزة الكشف لتطبيقات التضاريس الدقة المكانية والحساسية والنطاق الديناميكي ("عمق اللون"، في وضع الأبيض والأسود) وسرعة القراءة والوزن (وهو أمر مهم للتركيب على أذرع مقياس الحيود) والسعر.

نظرة عامة منهجية على التقنيات وظروف التصوير

يمكن تصنيف تقنيات التصوير الطبوغرافي المتعددة وفقًا لعدة معايير. أحدها هو التمييز بين تقنيات الحزمة المحدودة من جهة (مثل التصوير الطبوغرافي المقطعي أو التصوير الطبوغرافي بالثقب الدقيق) وتقنيات الحزمة الممتدة من جهة أخرى، والتي تستخدم العرض الكامل وكثافة الحزمة الواردة. تمييز آخر مستقل هو بين التصوير الطبوغرافي بالموجات المتكاملة، الذي يستخدم الطيف الكامل لأطوال موجات الأشعة السينية الواردة وتباعداتها، والتصوير الطبوغرافي بالموجات المستوية (أحادية اللون)، الأكثر انتقائية في كل من أطوال الموجات والتباعدات. يمكن تحقيق التصوير الطبوغرافي بالموجات المتكاملة إما كتصوير بلوري أحادي أو ثنائي. تشمل الفروق الأخرى التمييز بين التصوير الطبوغرافي في هندسة الانعكاس (حالة براغ) وفي هندسة النقل (حالة لاوي).

للاطلاع على مناقشة كاملة وتسلسل هرمي بياني للتقنيات الطبوغرافية، انظر .

التقنيات التجريبية 1 - بعض التقنيات الطبوغرافية الكلاسيكية

فيما يلي قائمة نموذجية لبعض أهم التقنيات التجريبية المستخدمة في دراسة التضاريس:

شعاع أبيض

تستخدم تقنية التصوير الطبوغرافي بالشعاع الأبيض النطاق الترددي الكامل لأطوال موجات الأشعة السينية في الشعاع الوارد، دون أي ترشيح للأطوال الموجية (بدون استخدام مُوحِّد اللون). تُعد هذه التقنية مفيدة بشكل خاص عند استخدامها مع مصادر إشعاع السنكروترون، نظرًا لطيفها الطيفي الواسع والمتصل. على عكس حالة الأشعة أحادية اللون، حيث يكون من الضروري غالبًا ضبط العينة بدقة للوصول إلى شروط الحيود، فإن معادلة براغ تتحقق دائمًا وبشكل تلقائي في حالة شعاع الأشعة السينية الأبيض: فمهما كانت الزاوية التي يصطدم بها الشعاع بمستوى شبكي محدد، يوجد دائمًا طول موجي واحد في الطيف الساقط تتحقق عنده زاوية براغ عند هذه الزاوية تحديدًا (بشرط أن يكون الطيف واسعًا بما يكفي). لذلك، تُعد تقنية التصوير الطبوغرافي بالشعاع الأبيض تقنية بسيطة وسريعة للغاية. تشمل عيوبها الجرعة العالية من الأشعة السينية، والتي قد تؤدي إلى تلف العينة إشعاعيًا، وضرورة حماية التجربة بعناية.

تُنتج تقنية التصوير الطبوغرافي باستخدام شعاع الأشعة السينية الأبيض نمطًا من بقع حيود متعددة، ترتبط كل بقعة منها بمستوى شبكي محدد في البلورة. يُسجل هذا النمط عادةً على فيلم الأشعة السينية، وهو ما يُعرف بنمط لاوي، ويُظهر تناظر الشبكة البلورية. ترتبط البنية الدقيقة لكل بقعة (صورة طبوغرافية) بالعيوب والتشوهات في العينة. تعتمد المسافة بين البقع، وتفاصيل التباين داخل البقعة الواحدة، على المسافة بين العينة والفيلم؛ لذا تُعد هذه المسافة عاملًا مهمًا في تجارب التصوير الطبوغرافي باستخدام شعاع الأشعة السينية الأبيض.

يؤدي تشوه البلورة إلى اختلاف في حجم بقعة الحيود. بالنسبة للبلورة المنحنية أسطوانيًا، تقع مستويات براغ في الشبكة البلورية على حلزونات أرخميدس (باستثناء تلك الموجهة بشكل مماس وشعاعي لانحناء البلورة، والتي تكون أسطوانية ومستوية على التوالي)، ويمكن تحديد درجة الانحناء بطريقة يمكن التنبؤ بها من طول البقع وهندسة الجهاز. ^{[ 4 ]}

تُعدّ صور الأشعة السينية ذات الحزمة البيضاء مفيدةً للتصوير السريع والشامل لعيوب البلورات وتشوهاتها. ومع ذلك، يصعب تحليلها كمياً، وحتى التفسير النوعي غالباً ما يتطلب خبرةً ووقتاً كبيرين.

تضاريس الموجة المستوية

تُعدّ تقنية التصوير الطبوغرافي بالموجات المستوية، من بعض النواحي، نقيضًا لتقنية التصوير الطبوغرافي بالشعاع الأبيض، إذ تستخدم شعاعًا أحادي اللون (طول موجي واحد) ومتوازيًا. ولتحقيق شروط الحيود، يجب محاذاة العينة قيد الدراسة بدقة متناهية. ويعتمد التباين الملحوظ اعتمادًا كبيرًا على الموضع الدقيق لنقطة العمل الزاوية على منحنى التأرجح للعينة، أي على المسافة الزاوية بين موضع دوران العينة الفعلي والموضع النظري لذروة براغ. ولذلك، تُعدّ منصة دوران العينة شرطًا أساسيًا في الجهاز للتحكم في شروط التباين وتغييرها.

تضاريس المقطع

صورة مكبرة لقطاع نقل الأشعة السينية السنكروترونية لنيتريد الغاليوم (حيود 11.0) فوق الياقوت (حيود 0-1.0). كان عرض حزمة الأشعة السينية 15 ميكرومترًا. يظهر إسقاط متجه الحيود g.

بينما تستخدم التقنيات المذكورة أعلاه شعاعًا عريضًا ممتدًا مكانيًا، تعتمد تقنية تصوير المقطع على شعاع ضيق يبلغ قطره حوالي 10 ميكرومترات (في بُعد جانبي واحد، أو في حالة تصوير المقطع باستخدام ثقب دقيق مع شعاع ضيق، في كلا البُعدين الجانبيين). ولذلك، فإن تصوير المقطع لا يفحص سوى حجم محدود من العينة. وأثناء مرور الشعاع عبر البلورة، ينحرف عند أعماق مختلفة، يُسهم كل منها في تكوين الصورة في موقع مختلف على الكاشف (الفيلم). وبالتالي، يمكن استخدام تصوير المقطع لتحليل العيوب بدقة عالية من حيث العمق.

في التصوير الطبوغرافي المقطعي، حتى البلورات المثالية تُظهر أهدابًا. وتتأثر هذه التقنية بشدة بالعيوب البلورية والإجهاد، إذ تُشوه هذه العوامل نمط الأهداب في الصورة الطبوغرافية. ويمكن إجراء تحليل كمي باستخدام محاكاة الصور بواسطة خوارزميات حاسوبية، تعتمد عادةً على معادلات تاكاجي-تاوبين .

تُظهر صورة مكبرة لقطاع نقل الأشعة السينية السنكروترونية على اليمين صورة حيود لمقطع من عينة تحتوي على طبقة من نتريد الغاليوم (GaN) مُنمّاة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني على رقاقة من الياقوت. تُظهر كل من طبقة نتريد الغاليوم المُنمّاة وركيزة الياقوت عيوبًا عديدة. تتكون طبقة نتريد الغاليوم في الواقع من حبيبات صغيرة الزاوية يبلغ عرضها حوالي 20 ميكرومترًا متصلة ببعضها البعض. يظهر الإجهاد في الطبقة المُنمّاة والركيزة على شكل خطوط ممتدة موازية لاتجاه متجه الحيود. العيوب الموجودة على الجانب السفلي من صورة مقطع رقاقة الياقوت هي عيوب سطحية على الجانب الخلفي غير المصقول لرقاقة الياقوت. أما العيوب الموجودة بين الياقوت ونتريد الغاليوم فهي عيوب بينية.

إسقاط التضاريس

إنّ إعداد التصوير الطبوغرافي الإسقاطي (المعروف أيضًا باسم التصوير الطبوغرافي "المستعرض") مطابقٌ أساسًا لإعداد التصوير الطبوغرافي المقطعي، مع اختلافٍ جوهريّ يتمثل في مسح كلٍّ من العينة والفيلم بشكلٍ جانبيّ (متزامن) بالنسبة للشعاع الساقط الضيق. وبالتالي، فإنّ الصورة الطبوغرافية الإسقاطية تُعادل تراكب العديد من الصور الطبوغرافية المقطعية المتجاورة، ما يُتيح دراسة ليس فقط جزءًا محدودًا، بل الحجم الكامل للبلورة.

إن هذه التقنية بسيطة إلى حد ما، وقد تم استخدامها بشكل روتيني في " كاميرات لانغ " في العديد من المختبرات البحثية.

بيرغ-باريت

تستخدم تقنية بيرغ-باريت للتصوير الطبوغرافي شعاعًا ضيقًا ينعكس من سطح العينة قيد الدراسة في ظروف عدم تناظر عالية (سقوط مائل، خروج حاد). ولتحقيق دقة مكانية كافية، يجب وضع الكاشف (الفيلم) بالقرب من سطح العينة. وتُعد تقنية بيرغ-باريت للتصوير الطبوغرافي تقنية روتينية أخرى في العديد من مختبرات الأشعة السينية.

التقنيات التجريبية II - تقنيات طبوغرافية متقدمة

التضاريس عند مصادر السنكروترون

كان لظهور مصادر الأشعة السينية السنكروترونية أثرٌ إيجابي على تقنيات التصوير الطبوغرافي بالأشعة السينية. وتُعدّ العديد من خصائص إشعاع السنكروترون مفيدةً أيضاً لتطبيقات التصوير الطبوغرافي: إذ يسمح التجميع العالي (أو بالأحرى صغر حجم المصدر الزاوي) بالوصول إلى دقة هندسية أعلى في الصور الطبوغرافية، حتى مع المسافات الكبيرة بين العينة والكاشف. كما يُسهّل طيف الطول الموجي المستمر التصوير الطبوغرافي باستخدام الحزمة البيضاء. وتُمكّن شدة الحزمة العالية المتوفرة في السنكروترونات من دراسة أحجام العينات الصغيرة، والعمل عند انعكاسات أضعف أو خارج نطاق شروط براغ (شروط الحزمة الضعيفة)، وتحقيق أوقات تعريض أقصر. وأخيراً، يسمح التركيب الزمني المتقطع لإشعاع السنكروترون لعلماء التصوير الطبوغرافي باستخدام طرق الوميض الضوئي لتصوير البنى المتغيرة مع الزمن والمتكررة دورياً بكفاءة (مثل الموجات الصوتية على أسطح البلورات).

تضاريس النيوترونات

يُستخدم التصوير الطبوغرافي الحيودي باستخدام إشعاع النيوترونات منذ عقود، لا سيما في مفاعلات الأبحاث ذات كثافة حزم النيوترونات العالية. يستفيد هذا النوع من التصوير من آليات تباين تختلف جزئيًا عن تلك المستخدمة في الأشعة السينية، ما يُتيح، على سبيل المثال، تصوير البنى المغناطيسية. إلا أن انخفاض كثافة النيوترونات نسبيًا يستلزم فترات تعريض طويلة، ما يحدّ من استخدامه عمليًا.

الأدب:

شلينكر، م.؛ باروشيل، ج.؛ بيريه دي لا باتي، ر.؛ ويلسون، س. أ. (1975). "تصوير مقطع حيود النيوترونات: معاينة شرائح البلورات قبل تقطيعها". مجلة الفيزياء التطبيقية . 46 (7). منشورات معهد الفيزياء الأمريكي: 2845-2848 . رمز Bibcode : 1975JAP....46.2845S . doi : 10.1063/1.322029 . ISSN 0021-8979 .
دادلي، م.؛ باروشيل، ج.؛ شيروود، ج.ن. (1990-06-01). "التصوير الطبوغرافي النيوتروني كأداة لدراسة البلورات العضوية التفاعلية: دراسة جدوى". مجلة علم البلورات التطبيقي . 23 (3). الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 186-198 . Bibcode : 1990JApCr..23..186D . doi : 10.1107/s0021889890000371 . ISSN 0021-8898 .

تطبيق التضاريس على البلورات العضوية

يُستخدم علم التضاريس عادةً لدراسة البلورات غير العضوية، مثل المعادن وأشباه الموصلات. إلا أنه يُستخدم اليوم بشكل متزايد لدراسة البلورات العضوية، وخاصة البروتينات. ويمكن أن تُسهم الدراسات التضاريسية في فهم عمليات نمو البلورات وتحسينها، بما في ذلك البروتينات. وقد بدأت العديد من الدراسات في السنوات الخمس إلى العشر الماضية، باستخدام كلٍ من التضاريس ذات الحزمة البيضاء والتضاريس ذات الموجة المستوية.

على الرغم من التقدم الملحوظ المُحرز، لا يزال تصوير تضاريس بلورات البروتين مجالًا صعبًا: فبسبب كبر حجم الخلايا الوحدوية، وانخفاض عوامل البنية، وارتفاع مستوى عدم الانتظام، تكون شدة حيود الأشعة ضعيفة. لذا، يتطلب التصوير الطبوغرافي فترات تعريض طويلة، مما قد يؤدي إلى تلف البلورات بالإشعاع، مُولِّدًا في المقام الأول العيوب التي يتم تصويرها لاحقًا. إضافةً إلى ذلك، يؤدي انخفاض عوامل البنية إلى صغر عرض داروين، وبالتالي إلى صور واسعة للانخلاعات، أي دقة مكانية منخفضة نسبيًا. مع ذلك، في بعض الحالات، وُجد أن بلورات البروتين مثالية بما يكفي للحصول على صور لانخلاعات مفردة.

الأدب:

ستويانوف، ف.؛ سيدونز، د.ب. (1996-05-01). "التصوير الطبوغرافي بالأشعة السينية لبلورة الليزوزيم". مجلة أكتا كريستالوغرافيكا، القسم أ . 52 (3). الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 498-499 . رمز Bibcode : 1996AcCrA..52..498S . doi : 10.1107/s0108767395014553 . ISSN 0108-7673 .
إيزومي، كونيهيدي؛ ساوامورا، سينزو؛ أتاكا، ميتسو (1996). "التصوير الطبوغرافي بالأشعة السينية لبلورات الليزوزيم". مجلة نمو البلورات . 168 ( 1-4 ). دار النشر إلسيفير: 106-111 . رمز Bibcode : 1996JCrGr.168..106I . doi : 10.1016/0022-0248(96)00367-3 . ISSN 0022-0248 .
ستويانوف، ف.؛ سيدونز، د.ب.؛ موناكو، ل.أ.؛ فيكيلوف، ب.؛ روزنبرغر، ف. (1997-09-01). "التصوير الطبوغرافي بالأشعة السينية لليزوزيم رباعي الأضلاع المُنمّى بتقنية التحكم في درجة الحرارة". مجلة أكتا كريستالوغرافيكا، القسم د . 53 (5). الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 588-595 . رمز Bibcode : 1997AcCrD..53..588S . doi : 10.1107/s0907444997005763 . ISSN: 0907-4449 . PMID: 15299890 .
إيزومي، كونيهيدي؛ تاغوتشي، كين؛ كوباياشي، يوكو؛ تاتشيبانا، ماسارو؛ كوجيما، كينيتشي؛ أتاكا، ميتسو (1999). "خطوط الانخلاع اللولبي في بلورات الليزوزيم المرصودة بواسطة طوبوغرافيا لاوي باستخدام إشعاع السنكروترون". مجلة نمو البلورات . 206 ( 1-2 ). دار النشر إلسيفير: 155-158 . رمز Bibcode : 1999JCrGr.206..155I . doi : 10.1016/s0022-0248(99)00344-9 . ISSN 0022-0248 .
لوربر، ب.؛ ساوتر، س.؛ نغ، ج.د.؛ تشو، د.و.؛ جيجي، ر.؛ فيدال، أ.؛ روبرت، م.س.؛ كابيل، ب. (1999). "توصيف بلورات البروتين والفيروس باستخدام التصوير الطبوغرافي بالأشعة السينية شبه المستوية: مقارنة بين البلورات النامية في المحلول وفي هلام الأغاروز". مجلة نمو البلورات . 204 (3). إلسيفير بي في: 357-368 . رمز Bibcode : 1999JCrGr.204..357L . doi : 10.1016/s0022-0248(99)00184-0 . ISSN 0022-0248 .
كابيل، ب.؛ إيبيلبوين، ي.؛ هارتويغ، ج.؛ موراليدا، أ.ب.؛ أوتالورا، ف.؛ ستويانوف، ف. (17 يناير 2004). "توصيف الانخلاعات في بلورات البروتين باستخدام التصوير الطبوغرافي البلوري المزدوج السنكروتروني". مجلة علم البلورات التطبيقي . 37 (1). الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 67-71 . doi : 10.1107/s0021889803024415 . hdl : 10261/18789 . ISSN 0021-8898 .
لوبيرت، دانيال؛ مينتس، ألكي؛ ويكرت، إدغار (21 مايو 2004). "قياسات دقيقة لمنحنى التأرجح على بلورات البروتين النامية في مجال مغناطيسي متجانس بقوة 2.4 تسلا". مجلة أكتا كريستالوغرافيكا، القسم د ، 60 (6). الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 987-998 . doi : 10.1107/s0907444904005268 . ISSN: 0907-4449 . PMID: 15159557 .
لوفليس، جيفري جيه؛ مورفي، كاميرون آر؛ بيلامي، هنري دي؛ بريستر، كيث؛ باهل، راينهارد؛ بورغستال، غلوريا إي أو (13 مايو 2005). "تطورات في التصوير الطبوغرافي الرقمي لتوصيف العيوب في بلورات البروتين". مجلة علم البلورات التطبيقي . 38 (3). الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 512-519 . doi : 10.1107/s0021889805009234 . ISSN 0021-8898 .

التضاريس على الهياكل ذات الطبقات الرقيقة

لا يقتصر تصوير البلورات الحجمية على التصوير الطبوغرافي فحسب، بل يشمل أيضًا تصوير الطبقات البلورية على ركيزة خارجية. في الطبقات الرقيقة جدًا، يكون حجم التشتت، وبالتالي شدة الحيود، منخفضًا للغاية. لذا، يُعدّ التصوير الطبوغرافي في هذه الحالات مهمة بالغة الصعوبة، ما لم تتوفر حزم ضوئية ساقطة ذات شدة عالية جدًا.

التقنيات التجريبية III - التقنيات الخاصة والتطورات الحديثة

التصوير الشبكي

تُعدّ تقنية التصوير الشبكي ( Reticulography ) تقنية حديثة نسبيًا في مجال دراسة التضاريس (نُشرت لأول مرة عام ١٩٩٦) . تعتمد هذه التقنية على التصوير الطبوغرافي باستخدام حزمة ضوئية بيضاء، وتتمثل فكرتها الجديدة في وضع شبكة معدنية دقيقة ("Reticule") بين العينة والكاشف. تتميز خطوط الشبكة المعدنية بقدرة امتصاص عالية، مما يُنتج خطوطًا داكنة في الصورة المُسجلة. في حين أن صورة الشبكة تكون مستقيمة في حالة العينات المسطحة والمتجانسة، تمامًا مثل الشبكة نفسها، إلا أنه قد تظهر صور مشوهة بشدة في حالة العينات المائلة أو المُجهدة. وينتج هذا التشوه عن تغيرات في زاوية براغ (وبالتالي اختلاف اتجاهات انتشار الحزم الضوئية المُنعكسة) نتيجة لاختلافات في معلمات الشبكة البلورية (أو ميل البلورات) في العينة. تعمل الشبكة على تقسيم الحزمة الضوئية المُنعكسة إلى مجموعة من الحزم الدقيقة، وتتبّع مسار انتشار كل حزمة دقيقة على سطح العينة. من خلال تسجيل صور الشبكية على مسافات متعددة بين العينة والكاشف، ومعالجة البيانات المناسبة، يمكن استخلاص التوزيعات المحلية للانحراف عبر سطح العينة.

لانغ، أ. ر.؛ ميكبيس، أ. ب. و. (1996-11-01). "التصوير الشبكي: تقنية بسيطة وحساسة لرسم خرائط الانحرافات في البلورات الأحادية" . مجلة إشعاع السنكروترون . 3 (6). الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 313-315 . Bibcode : 1996JSynR...3..313L . doi : 10.1107/s0909049596010515 . ISSN 0909-0495 . PMID 16702698 .
لانغ، أ. ر.؛ ميكبيس، أ. ب. و. (1999-12-01). "قياس التشوهات الشبكية المرتبطة بزرع الأيونات عالية الطاقة في الماس باستخدام التصوير الشبكي بالأشعة السينية السنكروترونية". مجلة علم البلورات التطبيقي . 32 (6). الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 1119-1126 . Bibcode : 1999JApCr..32.1119L . doi : 10.1107/s0021889899010924 . ISSN 0021-8898 .

التضاريس الرقمية

يُسهّل استخدام الكواشف الإلكترونية، مثل كاميرات CCD للأشعة السينية، بدلاً من أفلام الأشعة السينية التقليدية، عملية التصوير الطبوغرافي من نواحٍ عديدة. إذ تُتيح كاميرات CCD قراءة البيانات بشكل فوري تقريبًا، مما يُغني الباحثين عن الحاجة إلى تحميض الأفلام في غرفة مظلمة. ومن عيوبها مقارنةً بالأفلام محدودية النطاق الديناميكي، وقبل كل شيء، الدقة المكانية المتوسطة لكاميرات CCD التجارية، مما يجعل تطوير كاميرات CCD مُخصصة ضروريًا للتصوير عالي الدقة. ومن المزايا الحاسمة الأخرى للتصوير الطبوغرافي الرقمي إمكانية تسجيل سلسلة من الصور دون تغيير موضع الكاشف، بفضل القراءة الفورية. وهذا يُتيح، دون إجراءات معقدة لتسجيل الصور ، مراقبة الظواهر المُتغيرة مع الزمن، وإجراء دراسات حركية، ودراسة عمليات تدهور الجهاز والتلف الإشعاعي، وتحقيق التصوير الطبوغرافي المُتسلسل (انظر أدناه).

التصوير الطبوغرافي المعتمد على الزمن (التصوير الوميضي)؛ تصوير الموجات الصوتية السطحية

لتصوير الظواهر المتغيرة دوريًا والمعتمدة على الزمن، يمكن دمج التصوير الطبوغرافي مع تقنيات التعريض الضوئي الوميضي. وبهذه الطريقة، يتم تصوير طور محدد من حركة متغيرة جيبيًا بشكل انتقائي كـ"لقطة". وكانت التطبيقات الأولى في مجال الموجات الصوتية السطحية على أسطح أشباه الموصلات.

الأدب:

زولوتويابكو، إي.؛ شيلو، د.؛ ساوير، و.؛ بيرنو، إي.؛ باروشيل، ج. (1998-10-19). "تصوير الموجات الصوتية السطحية بطول 10 ميكرومتر باستخدام التصوير الطبوغرافي بالأشعة السينية الوميضية". رسائل الفيزياء التطبيقية . 73 (16). منشورات معهد الفيزياء الأمريكي: 2278-2280 . رمز Bibcode : 1998ApPhL..73.2278Z . doi : 10.1063/1.121701 . ISSN 0003-6951 .
ساور، دبليو؛ سترايبل، إم؛ ميتزجر، تي إتش؛ هاوبريش، إيه جي سي؛ مانوس، إس؛ ويكسفورث، إيه؛ بيسل، جيه؛ مازويلاس، إيه؛ هارتويغ، جيه؛ باروشيل، جيه. (20 سبتمبر 1999). "التصوير بالأشعة السينية وحيود الفونونات السطحية على زرنيخيد الغاليوم" . رسائل الفيزياء التطبيقية . 75 (12). منشورات معهد الفيزياء الأمريكي: 1709-1711 . رمز Bibcode : 1999ApPhL..75.1709S . doi : 10.1063/1.124797 . ISSN 0003-6951 .

التصوير المقطعي الطبوغرافي؛ توزيعات الخلع ثلاثية الأبعاد

من خلال الجمع بين تكوين الصور الطبوغرافية وإعادة بناء الصور المقطعية، يمكن تحديد توزيعات العيوب في ثلاثة أبعاد. وخلافًا للتصوير المقطعي المحوسب التقليدي، لا يعتمد تباين الصورة على اختلافات الامتصاص (تباين الامتصاص)، بل على آليات التباين الطبوغرافية المعتادة (تباين الحيود). وبهذه الطريقة، تم تصوير التوزيعات ثلاثية الأبعاد للانخلاعات في البلورات.

الأدب:

لودفيج، دبليو؛ كلوتينز، بي؛ هارتويج، جيه؛ باروشيل، جيه؛ هاملين، بي؛ باستي، بي (2001-09-25). "التصوير ثلاثي الأبعاد لعيوب البلورات بواسطة "التصوير المقطعي الطبوغرافي"مجلة علم البلورات التطبيقية . 34 (5) . الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 602-607 . doi : 10.1107/s002188980101086x . ISSN 0021-8898 .

التصوير الطبوغرافي المتسلسل / تصوير منحنى التأرجح

يمكن استخدام التصوير الطبوغرافي بالموجات المستوية لاستخلاص معلومات إضافية قيّمة من العينة، وذلك بتسجيل سلسلة كاملة من الصور الطبوغرافية على امتداد منحنى اهتزاز العينة، وليس صورة واحدة فقط . ومن خلال تتبع شدة الانعراج في بكسل واحد عبر سلسلة الصور، يُمكن إعادة بناء منحنيات الاهتزاز المحلية من مناطق صغيرة جدًا على سطح العينة. ورغم أن المعالجة اللاحقة والتحليل العددي المطلوبين قد يكونان مُرهقين بعض الشيء، إلا أن الجهد المبذول غالبًا ما يُعوَّض بمعلومات شاملة جدًا حول الخصائص المحلية للعينة. وتشمل الكميات التي يُمكن قياسها كميًا بهذه الطريقة: قوة التشتت المحلية، وميل الشبكة البلورية المحلية (عدم انتظام البلورات)، وجودة الشبكة البلورية المحلية وكمالها. وفي كثير من الحالات، تُحدد دقة التمييز المكاني أساسًا بحجم بكسل الكاشف.

تشكل تقنية التصوير الطبوغرافي المتسلسل، بالإضافة إلى أساليب تحليل البيانات المناسبة والتي تسمى أيضًا تصوير منحنى التأرجح ، طريقة لتصوير الحيود المجهري ، أي مزيج من تصوير الأشعة السينية مع قياس حيود الأشعة السينية .

الأدب:

لوبيرت، د؛ باومباخ، ت؛ هارتويج، ج؛ بولر، إ؛ بيرنو، إ (2000). "التصوير عالي الدقة بتقنية حيود الأشعة السينية بمستوى الميكرومتر لمراقبة جودة أشباه الموصلات". مجلة الأدوات والأساليب النووية في بحوث الفيزياء، القسم ب: تفاعلات الحزم مع المواد والذرات . 160 (4). دار النشر إلسيفير: 521-527 . رمز Bibcode : 2000NIMPB.160..521L . doi : 10.1016/s0168-583x(99)00619-9 . ISSN 0168-583X .
هوزوفسكا، ج؛ فرويند، أ.ك؛ بولر، إ؛ سيلشوب، ج.ب.ف؛ ليفل، ج؛ هارتويغ، ج؛ بيرنز، ر.س؛ ريباك، م؛ باروشيل، ج (2001-05-03). "توصيف بلورات الماس الاصطناعية بقياسات منحنى التأرجح المكاني". مجلة الفيزياء د: الفيزياء التطبيقية . 34 (10أ). دار نشر IOP: A47– A51. رمز Bibcode : 2001JPhD...34A..47H . doi : 10.1088/0022-3727/34/10a/311 . ISSN 0022-3727 .
ميكول ك، ب؛ ل. بيرت، د؛ كوريت ر، د؛ بيرنو، ب؛ باومباخ، ت (22-04-2003). "قياس حيود منطقة السنكروترون كأداة لرسم خرائط انحراف الشبكة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة مكانيًا". مجلة الفيزياء د: الفيزياء التطبيقية . 36 (10أ). دار نشر IOP: A74– A78. رمز Bibcode : 2003JPhD...36A..74M . doi : 10.1088/0022-3727/36/10a/315 . ISSN 0022-3727 .
لوفليس، جيفري جيه؛ مورفي، كاميرون آر؛ باهل، راينهارد؛ بريستر، كيث؛ بورغستال، غلوريا إي أو (10 مايو 2006). "تتبع الانعكاسات من خلال التبريد المبرد باستخدام التضاريس". مجلة علم البلورات التطبيقي . 39 (3). الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 425-432 . doi : 10.1107/s0021889806012763 . ISSN 0021-8898 .

ماكسيم

تُعدّ طريقة "MAXIM" (التصوير بالأشعة السينية للمواد) طريقةً أخرى تجمع بين تحليل الحيود والدقة المكانية. ويمكن اعتبارها تصويرًا طوبوغرافيًا متسلسلًا بدقة زاوية إضافية في شعاع الخروج. وعلى عكس طريقة تصوير منحنى التأرجح، تُعدّ هذه الطريقة أكثر ملاءمةً للمواد ذات التشويش العالي (متعددة البلورات) ذات درجة الكمال البلوري المنخفضة. ويكمن الاختلاف من الناحية التقنية في أن MAXIM تستخدم مصفوفة من الشقوق/القنوات الصغيرة (ما يُسمى "لوحة متعددة القنوات" (MCP)، وهي المكافئ ثنائي الأبعاد لنظام شق سولر) كعنصر بصري إضافي للأشعة السينية بين العينة وكاشف CCD. تنقل هذه القنوات شدة الإشعاع فقط في اتجاهات متوازية محددة، مما يضمن علاقةً مباشرة بين بكسلات الكاشف ونقاط سطح العينة، وهو ما لا يتحقق في حالة المواد ذات الإجهاد العالي و/أو التبلور الفسيفسائي القوي. وتُحدَّد الدقة المكانية لهذه الطريقة بمزيج من حجم بكسل الكاشف ودورية لوحة القنوات، وهما متطابقان في الحالة المثالية. يتم تحديد الدقة الزاوية في الغالب من خلال نسبة العرض إلى الارتفاع (الطول إلى العرض) لقنوات MCP.

الأدب:

فروبليفسكي، ت.؛ جير، س.؛ هيسمر، ر.؛ شريك، م.؛ راوشينباخ، ب. (1995). "التصوير بالأشعة السينية للمواد متعددة البلورات". مراجعة الأدوات العلمية . 66 (6). منشورات معهد الفيزياء الأمريكي: 3560-3562 . رمز Bibcode : 1995RScI...66.3560W . doi : 10.1063/1.1145469 . ISSN 0034-6748 .
فروبليفسكي، ت.؛ كلاوس، أ.؛ كروستاك، هـ.-أ.؛ إرتل، أ.؛ فاندريش، ف.؛ جينزل، ش.؛ هراديل، ك.؛ تيرنيس، و.؛ وولد، إ. (1999). "مقياس حيود جديد لعلوم المواد والتصوير في خط شعاع HASYLAB G3". مجلة الأدوات والأساليب النووية في بحوث الفيزياء، القسم أ: المسرعات، والمطيافات، والكواشف، والمعدات المرتبطة بها . 428 ( 2-3 ). دار النشر Elsevier BV: 570-582 . رمز Bibcode : 1999NIMPA.428..570W . doi : 10.1016/s0168-9002(99)00144-8 . ISSN 0168-9002 .
بيزالا، أ.؛ وانغ، ل.؛ وايلد، إ.؛ فروبليفسكي، ت. (2001). "التغيرات في البنية المجهرية والنسيج والإجهادات المتبقية على سطح السكة الحديدية الناتجة عن الاحتكاك والتآكل". مجلة التآكل . 251 ( 1-12 ). دار النشر إلسيفير: 901-907 . doi : 10.1016/s0043-1648(01)00748-7 . ISSN 0043-1648 .

الأدب

الكتب (بالترتيب الزمني):
- تانر، برايان: التصوير الطبوغرافي باستخدام حيود الأشعة السينية. دار بيرغامون للنشر (1976). رقم ISBN 0080196926.
- أوتييه، أندريه ولاغومارسيو، ستيفانو وتانر، برايان ك. (محررون): حيود الأشعة السينية والنيوترونات الديناميكي - النظرية والتطبيقات. دار بلينوم للنشر / دار كلوير الأكاديمية للنشر (1996). رقم ISBN 0-306-45501-3.
- بوين، كيث وتانر، برايان: حيود الأشعة السينية عالي الدقة والتصوير الطبوغرافي. تايلور وفرانسيس (1998). ISBN 0-85066-758-5.
- أوتييه، أندريه (2003). النظرية الديناميكية لانعراج الأشعة السينية . سلسلة دراسات الاتحاد الدولي لعلم البلورات. المجلد 11 ( الطبعة الثانية). مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 0-19-852892-2.
التقييمات
- لانغ، أ.ر.: التقنيات والتفسير في التصوير الطبوغرافي بالأشعة السينية. في: تقنيات الحيود والتصوير في علم المواد (تحرير: أميلينكس س.، جيفرز ر.، وفان لاندويت ج.)، الطبعة الثانية المنقحة (1978)، الصفحات 623-714. أمستردام: نورث هولاند.
- كلابر، هيلموت: التصوير الطبوغرافي بالأشعة السينية للبلورات العضوية. في: البلورات: النمو والخواص والتطبيقات، المجلد 13 (1991)، الصفحات 109-162. برلين-هايدلبرغ: سبرينغر.
- لانغ، أ.ر.: الطبوغرافيا. في: الجداول الدولية لعلم البلورات، المجلد ج (1992)، القسم 2.7، ص 113. كلوير، دوردريخت.
- تومي، ت: التصوير الطبوغرافي للمواد الإلكترونية باستخدام الأشعة السينية السنكروترونية. مجلة إشعاع السنكروترون (2002) 9، 174-178.
- باروشيل، ج. وهارتويغ، ج. وبيرنو-ريجمانكوفا، ب.: الوضع الحالي وآفاق تصوير حيود إشعاع السنكروترون. مجلة إشعاع السنكروترون (2002) 9، 107-114.
مقالات أصلية مختارة (حسب الترتيب الزمني):
- التصوير الطبوغرافي بالأشعة السينية
  - باريت، تشارلز س. (15 أغسطس 1931). "بقع لاوي من البلورات المثالية وغير المثالية والمتذبذبة". مجلة Physical Review ، 38 (4). الجمعية الفيزيائية الأمريكية (APS): 832-833 . Bibcode : 1931PhRv...38..832B . doi : 10.1103/physrev.38.832 . ISSN 0031-899X .
  - بيرج، وولفجانج (1931). "Über eine röntgenographische Methode zur Unter suchung von Gitterstörungen an Kristallen". يموت Naturwissenschaften (في المانيا). 19 (19). Springer Science and Business Media LLC: 391– 396. بيب كود : 1931NW .....19..391B . دوى : 10.1007/bf01522358 . ISSN 0028-1042 . S2CID 36422396 .
  - بورمان، ج. (1941). “Über Extinktionsdiagramme der Röntgenstrahlen von Quarz”. Physikalische Zeitschrift . 42 : 157-162.
  - جينيير، أ.؛ تينفين، ج. (02/06/1949). "Sur deuxvaries de la méthode de Laue et leurs apps". اكتا كريستالوغرافيكا . 2 (3). الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 133– 138. بيب كود : 1949AcCry...2...133G . دوى : 10.1107/s0365110x49000370 . ISSN 0365-110X .
  - بوند، دبليو إل؛ أندروس، جيه. (1952). "العيوب الهيكلية في بلورات الكوارتز" . عالم المعادن الأمريكي . 37 : 622-632 .
  - لانغ، أ. ر. (1957). "طريقة لفحص مقاطع البلورات باستخدام الأشعة السينية المميزة النافذة". أكتا ميتالورجيكا . 5 (7). إلسيفير بي في: 358-364 . doi : 10.1016/0001-6160(57)90002-0 . ISSN 0001-6160 .
  - لانغ، أ.ر. (1957-12-01). "ملخصات الأوراق: دراسات حيود الأشعة السينية نقطة بنقطة للعيوب في البلورات المُنمّاة بالصهر" . أكتا كريستالوغرافيكا . 10 (12). الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 839. doi : 10.1107/s0365110x57002649 . ISSN 0365-110X .
  - لانغ، أ. ر. (1958). "الملاحظة المباشرة للانخلاعات الفردية بواسطة حيود الأشعة السينية". مجلة الفيزياء التطبيقية . 29 (3). منشورات معهد الفيزياء الأمريكي: 597-598 . رمز Bibcode : 1958JAP....29..597L . doi : 10.1063/1.1723234 . ISSN 0021-8979 .
  - لانغ، أ. ر. (10 مارس 1959). "التصوير الطبوغرافي الإسقاطي: طريقة جديدة في التصوير الإشعاعي المجهري باستخدام حيود الأشعة السينية". مجلة أكتا كريستالوغرافيكا . 12 (3). الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 249-250 . رمز Bibcode : 1959AcCry..12..249L . doi : 10.1107/s0365110x59000706 . ISSN 0365-110X .
  - ت. تومي، ك. نوكارينين، إ. لوريلا، ب. رابي: التصوير الطبوغرافي السريع عالي الدقة بالأشعة السينية باستخدام إشعاع السنكروترون. مجلة أكتا بوليتكنيكا سكاندينافيكا، المجلد 100، (1973)، الصفحات 1-8.
  - تومي، ت.؛ نوكارينين، ك.؛ رابي، ب. (16-09-1974). "استخدام إشعاع السنكروترون في تصوير حيود الأشعة السينية". مجلة فيزيكا ستاتوس سوليدي أ . 25 (1). وايلي: 93-106 . رمز Bibcode : 1974PSSAR..25...93T . doi : 10.1002/pssa.2210250106 . ISSN 0031-8965 .
  - كلابر، هـ. (1975-04-01). "تأثير التباين المرن على عرض صورة التضاريس بالأشعة السينية للانخلاعات اللولبية النقية" . مجلة علم البلورات التطبيقي . 8 (2). الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 204. Bibcode : 1975JApCr...8..204K . doi : 10.1107/s0021889875010163 . ISSN 0021-8898 .
  - هارت، م. (1975-08-01). "إشعاع السنكروترون - تطبيقه على التصوير الطبوغرافي عالي السرعة وعالي الدقة باستخدام حيود الأشعة السينية". مجلة علم البلورات التطبيقي . 8 (4). الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 436-444 . Bibcode : 1975JApCr...8..436H . doi : 10.1107/s002188987501093x . ISSN 0021-8898 .
  - كلابر، هـ. (1976-08-01). "تأثير التباين المرن على عرض صورة التضاريس بالأشعة السينية للانخلاعات اللولبية النقية". مجلة علم البلورات التطبيقي . 9 (4). الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 310-317 . Bibcode : 1976JApCr...9..310K . doi : 10.1107/s0021889876011400 . ISSN 0021-8898 .
  - تانر، ب.ك.؛ ميدجلي، د.؛ صفا، م. (1977-08-01). "تباين الانخلاعات في صور الأشعة السينية السنكروترونية". مجلة علم البلورات التطبيقي . 10 (4). الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 281-286 . Bibcode : 1977JApCr..10..281T . doi : 10.1107/s0021889877013491 . ISSN 0021-8898 .
  - فيشر، جي آر؛ بارنز، بي؛ كيلي، جي إف (1993-10-01). "تباين الانخلاعات في التصوير الطبوغرافي لكربيد السيليكون باستخدام إشعاع السنكروترون الأبيض" . مجلة علم البلورات التطبيقي . 26 (5). الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 677-682 . Bibcode : 1993JApCr..26..677F . doi : 10.1107/s0021889893004017 . ISSN 0021-8898 .
  - لانغ، أ. ر. (14 أبريل 1993). "الأيام الأولى للتصوير الطبوغرافي بالأشعة السينية عالي الدقة". مجلة الفيزياء د: الفيزياء التطبيقية . 26 (4أ). دار نشر IOP: A1– A8. رمز Bibcode : 1993JPhD...26....1L . doi : 10.1088/0022-3727/26/4a/001 . ISSN 0022-3727 .
  - زونتون، ف.؛ مانشيني، ل.؛ باريت، ر.؛ باروشيل، ج.؛ هارتويغ، ج.؛ إيبيلبوين، ي. (1996-07-01). "ميزات جديدة لصور الانخلاعات في صور طوبوغرافية إشعاعية سنكروترونية من الجيل الثالث" . مجلة إشعاع السنكروترون . 3 (4). الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 173-184 . Bibcode : 1996JSynR...3..173Z . doi : 10.1107/s0909049596002269 . ISSN 0909-0495 . PMID 16702676 .
  - باروشيل، خوسيه؛ كلوتينز، بيتر؛ هارتفيغ، يورغن؛ لودفيغ، فولفغانغ؛ مانشيني، لوسيا؛ بيرنو، بيترا؛ شلينكر، ميشيل (1 مايو 2000). "التصوير الطوري باستخدام الأشعة السينية عالية التماسك: التصوير الشعاعي، والتصوير المقطعي، والتصوير الطبوغرافي الحيودي" . مجلة إشعاع السنكروترون . 7 (3). الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 196-201 . doi : 10.1107/s0909049500002995 . ISSN: 0909-0495 . PMID: 16609195 .
- تطبيقات خاصة:
  - كيلي، جيه إف؛ بارنز، بي؛ فيشر، جي آر (1995). "استخدام تضاريس حافة السنكروترون لدراسة علاقات الجوار الأقرب بين الأنماط البلورية في كربيد السيليكون" (ملف PDF) . فيزياء وكيمياء الإشعاع . 45 (3). إلسيفير بي في: 509-522 . رمز Bibcode : 1995RaPC...45..509K . doi : 10.1016/0969-806x(94)00101-o . ISSN 0969-806X .
  - ويتسكا، ك.؛ فيرزتشوفسكي، و.؛ غريف، و.؛ توروس، أ.؛ غروتشيل، ر. (1 سبتمبر 2000). "توصيف أشباه الموصلات المزروعة باستخدام التصوير الطبوغرافي السنكروتروني ذي الحزمة البيضاء والموجة المستوية" . مجلة إشعاع السنكروترون . 7 (5). الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 318-325 . doi : 10.1107/s0909049500009420 . ISSN 0909-0495 . PMID 16609215 .
  - ألتين، د.؛ هارتويغ، ج.؛ كولر، ر.؛ لودفيغ، و.؛ أولر، م.؛ كلاين، هـ. (31 أغسطس/آب 2002). "التصوير الطبوغرافي باستخدام حيود الأشعة السينية بواسطة مطياف حيود مزود بموحد لون قابل للانحناء عند مصدر إشعاع السنكروترون" . مجلة إشعاع السنكروترون . 9 (5). الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 282-286 . doi : 10.1107/s0909049502010294 . ISSN 0909-0495 . PMID 12200570 .
- الأجهزة وخطوط الحزم المستخدمة في رسم الخرائط الطبوغرافية:
  - إسبسو، خوسيه إي؛ كلوتينز، بيتر؛ باروشيل، خوسيه؛ هارتفيغ، يورغن؛ مايرز، تريفور؛ بياشي، جان كلود؛ مارو، جيرار؛ سالومي-باتيرون، مورييل؛ شلينكر، ميشيل (1998-09-01). "الحفاظ على تماسك وانتظام حزم إشعاع السنكروترون من الجيل الثالث: حالة ID19، وهو خط شعاع "طويل" في مرفق الإشعاع السنكروتروني الأوروبي (ESRF)" . مجلة إشعاع السنكروترون . 5 (5). الاتحاد الدولي لعلم البلورات (IUCr): 1243-1249 . Bibcode : 1998JSynR...5.1243E . doi : 10.1107/s0909049598002271 . ISSN 0909-0495 . PMID 16687829 .

انظر أيضاً

مراجع

↑ "تاريخ موجز لتصوير حيود الأشعة السينية" .
↑ "دليل تدريبي على التصوير الطبوغرافي بالأشعة السينية" (ملف PDF) . المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا. أبريل 2004. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) في 5 مايو 2006.
↑ المؤلف 2003 .
↑ إس جي كلاكسون : دراسات الأشعة السينية للعيوب في الماس وأرسينيد الغاليوم ، جامعة لندن، 1989

روابط خارجية

التضاريس: مقدمات ودروس تعليمية على الإنترنت
- "تاريخ موجز لطبوغرافيا حيود الأشعة السينية" بقلم جيه إف كيلي، جامعة لندن (المملكة المتحدة)
- "التصوير الطبوغرافي بالأشعة السينية - دليل عملي" بقلم د. بلاك، ج. لونغ، المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (الولايات المتحدة الأمريكية)
- "التصوير الطبوغرافي بالأشعة السينية": مقدمة من PTB، براونشفايغ (ألمانيا)
- فصل من نص بعنوان "العيوب في البلورات" بقلم البروفيسور هـ. فويل، جامعة كيل (ألمانيا)
- "توصيف المواد البلورية بواسطة التصوير الطبوغرافي بالأشعة السينية" - مقدمة بقلم واي. إيبيلبوين، باريس-جوسيو (فرنسا)
- "التصوير الحيودي بالأشعة السينية (التصوير الطبوغرافي بالأشعة السينية) - نظرة عامة على التقنيات والتطبيقات" بقلم ج. هارتويج، ESRF، غرونوبل (فرنسا)
- نفس التنسيق، ولكن بتنسيق مختلف قليلاً
خطوط شعاع التضاريس في السنكروترونات:
- خط شعاع التصوير (ID19) التابع للمسرع السنكروتروني الأوروبي ESRF، غرونوبل (فرنسا)
- خط شعاع TOPO في ANKA، كارلسروه (ألمانيا)
- خط شعاع F1 في مختبر HASYLAB في مركز أبحاث الإلكترونات المتزامنة (DESY)، هامبورغ (ألمانيا)
- المصدر الوطني لضوء السنكروترون (NSLS)، كانساس (الولايات المتحدة الأمريكية)
- سبرينغ-8، بالقرب من هيميجي (اليابان)

[1] "تاريخ موجز لتصوير حيود الأشعة السينية" .

[2] "دليل تدريبي على التصوير الطبوغرافي بالأشعة السينية" (ملف PDF) . المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا. أبريل 2004. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) في 5 مايو 2006.

[FOOTNOTEAuthier2003-3] المؤلف 2003 .

[4] إس جي كلاكسون : دراسات الأشعة السينية للعيوب في الماس وأرسينيد الغاليوم ، جامعة لندن، 1989

[ 1 ]

[

[ 3 ]

[ 4 ]

اللغة	العربية (RTL)
روابط موسوعية	30 رابطاً
المصدر الأصلي	ويكيبيديا ↗