Домой Hi-Tech

Рентгеновский микротомограф в нанотехнологиях

Лаборатория рентгеновской оптики Физического института им. П.Н. Лебедева (ФИАН) совместно с институтами РАН и РАМН выполняет работы в области рентгеновской микротомографии. С помощью рентгеновского микротомографа ученые исследовали плацентарную ткань, природные алмазы, графитовые стержни и капсулированное топливо для атомных электростанций.

Все хорошо представляют, что такое рентгенография. Томограф – прибор менее известный, чем рентгеновский аппарат, но уже также вошедший в широкую практику. Томография – это способ получения трехмерного изображения из множества последовательных двухмерных изображений объекта, полученных под разными углами. Рентгеновская микротомография дает возможность получать изображение внутренней структуры непрозрачных объектов в трехмерном виде с высоким пространственным разрешением.

“Обычная рентгенография не позволяет оценить истинное расположение деталей объёмного объекта, в отличие от рентгеновской томографии, которая показывает трехмерную структуру, где ясно видно, как соотносятся между собой детали (расстояние между ними, положение и т.д.). Микротомография – это томография с высоким пространственным разрешением, порядка 1 мкм и лучше. При этом можно увидеть, что находится в любом сечении полученного трёхмерного изображения. Для медицины этот прибор просто необходим”, – объясняет ведущий научный сотрудник ФИАН, кандидат физ.-мат.наук Игорь Артюков.

Исследования по рентгеновской микротомографии проводились в Лаборатории рентгеновской оптики ФИАН на установках SKYSCAN 1074 и 1172 (Бельгия). Начались они с того, что к ученым ФИАН обратились специалисты из Института морфологии человека РАМН для проведения совместных исследований плаценты человека. Плацентарная ткань выполняет роль проводника питательных веществ от материнского организма к плоду, и при любом нарушении кровообращения в плаценте плод начинает развиваться с патологией. Поэтому исследования в этой области очень важны.

“Часто процесс нарушения кровообращения похож на процесс отложения солей в сосудах. С помощью допплеровского УЗИ плаценты можно отличить патологическое кровообращение от непатологического. Тем не менее, надёжных моделей, позволяющих однозначно оценить возможную патологию развития плода на основе только допплеровских методов исследования, пока не существует. Именно поэтому мы прововили комплексное исследование – исследовали плацентарную ткань тремя различными методами с тремя институтами”, – продолжает Артюков.

Рентгеновский микротомограф в нанотехнологиях
Трёхмерная структура плацентарной ткани, полученная методом рентгеновской микротомографии

В НИИ морфологии человека РАМН исследования проводились с помощью методов гистологии (исследование ткани под микроскопом). Второй метод – допплеровское УЗИ – применяли ученые из Московского областного НИИ акушерства и гинекологии Минздрава РФ. В ФИАНе эти исследования были дополнены данными о трехмерной структуре объекта, полученными методом рентгеновской микротомографии.

С помощью микротомогрофа были получены изображения котиледонной структуры плацентарной ткани. Котиледоны – это мелкие кровеносные сосуды, которыми пронизана плацента. В результате обработки изображений с микротомографа мы сделали выводы о связи внутренней структуры плаценты со скоростью кровообращения и обнаруженными в ней гистологическими изменениями“, – подводит итог работы сотрудник ФИАН.

Рентгеновский микротомограф в нанотехнологияхЭтим же методом совместно с МИРГЭМ (Московский институт радиоэлектроники и горной электромеханики) в ФИАНе были изучены образцы природных алмазов.

“В природных алмазах могут содержаться различные примеси, например, оксиды металлов, присутствие которых существенно влияет на свойства алмаза. Увидеть их в необработанном алмазе очень сложно, а шлифовка алмаза – процесс дорогостоящий. С помощью рентгеновской микротомографии можно легко увидеть внутреннюю структуру алмаза. При этом из-за того, что рентгеновский контраст между соединениями металлов и алмазом очень высок, эти примеси хорошо видны даже через неотшлифованную поверхность без какой-либо дополнительной обработки”, – объясняет Игорь Артюков.

Рентгеновский микротомограф в нанотехнологияхМетод рентгеновской микротомографии оказался весьма полезен и для исследования графитовых стержней (элементов уран-графитового ядерного реактора). Такие стержни изготовлены из чистого графита и при механической нагрузке могут деформироваться с изменением внутренней структуры. Только рентгеновский микротомограф позволяет увидеть, насколько деформирована внутренняя структура, ведь графит непрозрачен (рис.1).

Ещё один пример использования рентгеновской микротомографии – исследование капсулированного топлива для АЭС, так называемых микротвэлов (рис.2) (очень маленькие – диаметром до 1 мм – сферические частицы уранового топлива, заключенные в многослойную, высокотемпературную прочную оболочку и способные удерживать продукты деления в любых авариях).

Оболочка микротвэла обычно состоит из нескольких слоев различных материалов – углерод, оксид кремния и др. Контролировать точность толщин этих слоев, а также определять наличие дефектов (микротрещин) сегодня можно только с помощью рентгеновской микротомографии“, – комментирует Артюков.

Возможности использования метода рентгеновской микротомографии далеко не ограничиваются описанными примерами. Применять его можно и в металловедении – для анализа прочностных характеристик различных конструкционных элементов, например, самолетов, мостов и т.п., и для неразрушающей дефектоскопии, в общем, практически всегда, когда возникает необходимость в наблюдении микроструктуры непрозрачного объекта.

По материалам АНИ ” ФИАН-информ “