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

Průchod atmosférou rtg-5

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: Lineární absorpční koeficient: m = ra . sa rtg-7

Rychlost šíření - Index lomu E (r,t) = ex E0 exp { i (kz – w t)} Fáze zůstává neměnná když platí (kz – w t) = konst. Rychlost šíření 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

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

Odraz a lom se započtením absorpce rtg-7

Rentgenová optika - refraktivní rtg-7

Vlny ve vakuu a v materiálu rtg-7

Fresnelova zónová destička rtg-7

Zrcadla – tangenciální odraz rtg-7

Principy generace Nerovnoměrný pohyb nabitých částic (elektronů) Brzdné záření Synchrotronové záření Lasery s volnými elektrony Kvantové přechody mezi vnitřními stavy (atomů, iontů) Spontánní emise excitovaných atomů n. iontů Stimulovaná emise - rentgenové lasery rtg-2

Rentgenka

Synchrotronové záření z kruhové dráhy relativistický pohyb elektronů (v c) g = Ee/ (mc2) rtg-2

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

Cyklotron Pohyb náboje v homogemmím magnetickém poli (kolmém k rovině nákresu) Cyklotronová frekvence wc = q. B/m rtg-2

Synchrotron – kruhový urychlovač nabitých částic rtg-2

Synchrotron Soleil rtg-2

FEL – laser s volnými elektrony Stimulovaný Comptonův rozptyl rtg-2

FEL – laser s volnými elektrony The World Wide Web Virtual Library FLASH rtg-2

Krabí mlhovina rtg-2

rtg-2

LLG systém – Laserové plazma rtg-2

Discharge Apparatus

Rentgenový laser Inverze populace v časo-prostorově proměnném plazmatu: Laserové plasma Plazma pinčujícího výboje rtg-2

Lasing without optical resonator No highly reflecting mirrors for EUV radiation Short upper level life-time Amplified spontaneous emission (ASE) is the output Kudowa Zdroj, June 23.-27.2003

Laser plasma created on a solid target surface

Fast high current capillary discharge Dielectric capillary Metal electrodes Pinching discharge 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

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

Typy detektorů Ionizační Scintilační Polovodičové Emulsní (fotografický film) Lokální Zobrazovací rtg-7

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

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

MEDIPIX -ÚTEF rtg-7

Velkoplošné a rychlé CCD pro detekci difrakčních obrazců –stavba molekul (DNA), proteiny rtg-7

Využití měkkého rentgenového záření Zobrazování malých objektů Spektroskopická měření (např. absorpce) Elektronová spektroskopie

Malaria infected red blood cell Plasmodium parasit

Děkuji vám za pozornost