Měkké rentgenové záření a jeho uplatnění

Prezentace na téma: "Měkké rentgenové záření a jeho uplatnění"— Transkript prezentace:

1 Měkké rentgenové záření a jeho uplatnění
Pokroky v biomedicínském inženýrství FBMI M. Vrbová

2 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:

3

4 Rentgenové záření - definice
Elektromagnetické záření: s vlnovou délkou l : nm s frekvencemi n: × × 1019 Hz s energií kvanta hn : eV to 120 keV Cvičení: Vztahy mezi l, n a energií v J a eV „Tvrdé“ rentgenové záření: l =  nm „Měkké“ rentgenové záření: l =  nm „Vodní okno“: l =  nm rtg - 1

5

6 Průchod atmosférou rtg-5

7

8

9 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)

10 Absorpce záření Uvolnění elektronu z atomu: Fotoelektrická absorpce Útlum záření: Lineární absorpční koeficient: m = ra . sa rtg-7

11 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

12 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

13 Odraz a lom se započtením absorpce
rtg-7

14 Rentgenová optika - refraktivní
rtg-7

15 Vlny ve vakuu a v materiálu
rtg-7

16 Fresnelova zónová destička
rtg-7

17 Zrcadla – tangenciální odraz
rtg-7

18 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

19 Rentgenka

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

21 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

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

23 Synchrotron – kruhový urychlovač nabitých částic
rtg-2

24 Synchrotron Soleil rtg-2

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

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

27 Krabí mlhovina rtg-2

28 rtg-2

29 LLG systém – Laserové plazma
rtg-2

30 Discharge Apparatus

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

32 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

33 Laser plasma created on a solid target surface

34

35 Fast high current capillary discharge
Dielectric capillary Metal electrodes Pinching discharge Kudowa Zdroj, June

36 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

37 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

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

39 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

40 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

41 MEDIPIX -ÚTEF rtg-7

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

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

44

45

46 Malaria infected red blood cell
Plasmodium parasit

47

48

49

50

51

52 Děkuji vám za pozornost