Měkké rentgenové záření a jeho uplatnění

Pokroky v biomedicínském inženýrstvíFBMI 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 : 10 - 0.01 nm• s frekvencemi : 3 × 1016 - 3 × 1019 Hz• s energií kvanta h: 120 eV to 120 keV

Cvičení: Vztahy mezi a energií v J a eV

„Tvrdé“ rentgenové záření: 0.10 - 0.01 nm„Měkké“ rentgenové záření: 10 - 0.10 nm„Vodní okno“: 2.1 - 4.1 nm

4rtg - 1

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 absorpceÚtlum záření:

Lineární absorpční koeficient: a . a

rtg-7 10

zeIzI

dzzIdI

0)(

)(

Rychlost šíření - Index lomu

E (r,t) = ex E0 exp { i (kz – t)}

Fáze zůstává neměnná když platí (kz – t) = konst.Rychlost šíření

E (r,t) = ex E0 exp { i n/c)z –t)}

Pro světlo: n>1Pro rentgenové záření n<1, zpravidla n = 1-

rtg-7 11

kn

c

dt

dz

Komplexní index lomu vs součinitel absorpce

n=1-iE (r,t) = ex E0 exp { i n/c)z –t)}

E (r,t) = ex E0 exp { i 1-i/cz –t)}

E (r,t) = ex E0 exp { i 1-/cz –t)} exp { -/cz)}

I = (1/c) E02exp { -kz)}

k

rtg-7 12

Odraz a lom se započtením absorpce

13rtg-7

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

18rtg-2

Rentgenka

Synchrotronové záření z kruhové dráhy

relativistický pohyb elektronů (v c)

20rtg-2

= Ee/ (mc2)

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

21rtg-2

Cyklotron

Pohyb náboje v homogemmím magnetickém poli (kolmém k rovině nákresu)

Cyklotronová frekvence

c = q. B/m

22rtg-2

Synchrotron – kruhový urychlovač nabitých částic

23rtg-2

Synchrotron Soleil

24rtg-2

FEL – laser s volnými elektrony

Stimulovaný Comptonův rozptyl

25rtg-2

FEL – laser s volnými elektrony

The World Wide Web Virtual Library

FLASH

26rtg-2

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

32 Kudowa Zdroj, June 23.-27.2003

Lasing without optical resonator No highly reflecting mirrors for EUV No highly reflecting mirrors for EUV

radiationradiation Short upper level life-timeShort upper level life-time Amplified spontaneous emission (ASE) is Amplified spontaneous emission (ASE) is

the output the output

Z1

Z2

A

B

33

Laser plasma created on a solid target surface

35Kudowa Zdroj, June 23.-

27.2003

Fast high current capillary discharge

Dielectric capillaryDielectric capillary Metal electrodesMetal electrodes Pinching discharg

e

36Kudowa 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

• Lithium-like ions

• Neon-like ions (1s22s22p53p (J=0) 1s22s22p53s (J=1))

• Nickel-like ions

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 P-Izolátor – 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

rtg-7 40

Konbinovaný integrovaný obvod:-Fotodioda-Integrace vznikajícího náboje-Přenos do analogové paměti-Vyčítání paměti

Dynamický rozsah: 500 (při pokojové teplotě) větší při chlazení

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 cellPlasmodium parasit

Děkuji vám za pozornost