Transcript E - FBMI

Měkké rentgenové záření
a jeho uplatnění
Pokroky v biomedicínském inženýrství
FBMI 5.12.2011
M. Vrbová
Obsah
•
•
•
•
•
•
Definice měkkého rentgenového záření
Interakce s látkou
„Optické prvky“
Zdroje
Detektory
Aplikace
Kniha: David Attwood: Soft X-rays and Extreme Ultraviolet Radiation,
Cambridge University Press
Web: http://ast.coe.berkeley.edu/sxreuv/
Rentgenové záření - definice
Elektromagnetické záření:
• s vlnovou délkou l : 10 - 0.01 nm
• s frekvencemi n:
3 × 1016 - 3 × 1019 Hz
• s energií kvanta hn : 120 eV to 120 keV
Cvičení: Vztahy mezi l, n a energií v J a eV
„Tvrdé“ rentgenové záření: l = 0.10 - 0.01 nm
„Měkké“ rentgenové záření: l = 10 - 0.10 nm
„Vodní okno“: l = 2.1 - 4.1 nm
rtg - 1
4
Průchod atmosférou
rtg-5
6
Specifické vlastnosti měkkého rentgenového záření
• Šíření látkovým prostředím:
– Absorpce
– Index lomu
– Difrakce
• Metody generace:
– Nerovnoměrný pohyb elektronů (synchrotron, laser s volnými
elektrony)
– Kvantové přechody (ionty v plazmatu, koherentní, nekoherentní
zdroje)
• Metody detekce:
– Ionizace, fotoelektrický jev, fluorescence (dioda, CCD prvky)
Absorpce záření
Uvolnění elektronu z atomu:
Fotoelektrická absorpce
Útlum záření:  dI = I ( z ) mdz
I ( z ) = I 0e
 mz
Lineární absorpční koeficient: m = ra . sa
rtg-7
10
Rychlost šíření - Index lomu
E (r,t) = ex E0 exp { i (kz – w t)}
Fáze zůstává neměnná když platí (kz – w t) = konst.
dz
c
w
Rychlost šíření
=
=
dt
n
k
E (r,t) = ex E0 exp { i w((n/c)z –t)}
Pro světlo: n>1
Pro rentgenové záření n<1, zpravidla n = 1- d
rtg-7
11
Komplexní index lomu vs součinitel absorpce
n=1-d+ i b
E (r,t) = ex E0 exp { i w((n/c)z –t)}
E (r,t) = ex E0 exp { i w[(1-d+ i b) /c]z –t)}
E (r,t) = ex E0 exp { i w[(1-d) /c]z –t)} exp { -w[b /c]z)}
I = (1/c) e E02 exp { -2kb z)}
m = 2kb
rtg-7
12
Odraz a lom se započtením absorpce
rtg-7
13
Rentgenová optika - refraktivní
rtg-7
14
Vlny ve vakuu a v materiálu
rtg-7
15
Fresnelova zónová destička
rtg-7
16
Zrcadla – tangenciální odraz
rtg-7
17
Principy generace
1. Nerovnoměrný pohyb nabitých částic (elektronů)
•
•
•
Brzdné záření
Synchrotronové záření
Lasery s volnými elektrony
2. Kvantové přechody mezi vnitřními stavy (atomů,
iontů)
•
•
Spontánní emise excitovaných atomů n. iontů
Stimulovaná emise - rentgenové lasery
rtg-2
18
Rentgenka
Synchrotronové záření z kruhové dráhy
relativistický pohyb elektronů (v c)
g = Ee/ (mc2)
rtg-2
20
Kruhové urychlovače
Kruhový pohyb nabitých částic – působením magnetického pole B
Urychlení nabitých částic působením elektrického pole E podél
dráhy nabité částice
Cyklotron (konstantní B i E)
Synchrocyklotron (pro měnné B nebo E)
Synchrotron : (pro měnné B a E)
– První (záření jako parazitní jev)
– Druhá (využívá se záření)
– Třetí generace (speciálně navržený jako zdroj XUV)
v.t. Wikipedia
rtg-2
21
Cyklotron
Pohyb náboje v homogemmím
magnetickém poli (kolmém k rovině
nákresu)
Cyklotronová frekvence
wc = q. B/m
rtg-2
22
Synchrotron – kruhový urychlovač
nabitých částic
rtg-2
23
Synchrotron Soleil
rtg-2
24
FEL – laser s volnými elektrony
Stimulovaný Comptonův rozptyl
rtg-2
25
FEL – laser s volnými elektrony
The World Wide Web Virtual Library
FLASH
rtg-2
26
Krabí mlhovina
rtg-2
27
rtg-2
28
LLG systém – Laserové plazma
rtg-2
29
Discharge Apparatus
Rentgenový laser
Inverze populace v časo-prostorově
proměnném plazmatu:
– Laserové plasma
– Plazma pinčujícího výboje
rtg-2
31
Lasing without optical resonator



No highly reflecting mirrors for EUV
radiation
Short upper level life-time
Amplified spontaneous emission (ASE) is
the output
B
Z2
A
Z1
32
Kudowa Zdroj, June 23.27.2003
Laser plasma created
on a solid target surface
33
Fast high current capillary discharge
 Dielectric capillary
 Metal electrodes
 Pinching
discharge
35
Kudowa Zdroj, June 23.27.2003
Quantum transitions for EUV lasers
In outer shells of
multi-ionised atoms
• Hydrogen-like ions
(n=3  n=2, Balmer a)
• Lithium-like ions
• Neon-like ions
(1s22s22p53p (J=0) 1s22s22p53s (J=1))
• Nickel-like ions
Kudowa Zdroj, June 23.-27.2003
36
Detekce rentgenového záření
Zjišťování informace o přítomnosti intenzitě,
frekvenci n. energii rtg. záření
Detektor: zařízení, ve kterém absorpce záření
vede ke změnám fyzikálního stavu zařízení
(např. uvolnění elektronu, změna teploty,
luminiscence)
Detektory rtg. záření jsou nepřímé.
rtg-7
37
Typy detektorů
•
•
•
•
Ionizační
Scintilační
Polovodičové
Emulsní (fotografický film)
• Lokální
• Zobrazovací
rtg-7
38
Polovodičové detektory
• Přímé -Vznik elektron-děrových párů: Si (Li), Ge(Li) – zvýšení
vodivosti - sběr náboje
• PIN – dioda - fotodetektor - zvláštní struktura – polovodič PIzolátor – polovodič typu N (velká kvantová účinnost, rychlá
odezva)
• Nízkoteplotní bolometry (změna vodivosti ohřátím)
• Scintilační vrstva před detektor optického záření
rtg-7
39
CCD – prvek s nábojovou vazbou
Konbinovaný integrovaný obvod:
-Fotodioda
-Integrace vznikajícího náboje
-Přenos do analogové paměti
-Vyčítání paměti
Dynamický rozsah: 500 (při pokojové teplotě)
větší při chlazení
rtg-7
40
MEDIPIX -ÚTEF
rtg-7
41
Velkoplošné a rychlé CCD pro detekci difrakčních
obrazců –stavba molekul (DNA), proteiny
rtg-7
42
Využití měkkého rentgenového záření
• Zobrazování malých objektů
• Spektroskopická měření (např. absorpce)
• Elektronová spektroskopie
Malaria
infected red
blood cell
Plasmodium
parasit
Děkuji vám za pozornost