Měkké rentgenové záření a jeho uplatnění

1. Měkké rentgenové záření a jeho uplatnění Pokroky v biomedicínském inženýrství FBMI 5.12.2011 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: http://ast.coe.berkeley.edu/sxreuv/

4. 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

6. Průchod atmosférou rtg-5

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) = exE0exp { i (kz – wt)} Fáze zůstává neměnná když platí (kz – wt) = konst. Rychlost šíření E (r,t) = exE0exp { 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) = exE0exp { i w((n/c)z –t)} E (r,t) = exE0exp { i w[(1-d+ i b) /c]z –t)} E (r,t) = exE0exp { i w[(1-d) /c]z –t)} exp { -w[b /c]z)} I = (1/c) e E02exp { -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 dráhyrelativistický pohyb elektronů (vc) 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 23.-27.2003

33. Laser plasma created on a solid target surface

35. Fast high current capillary discharge • Dielectric capillary • Metal electrodes • Pinching discharge Kudowa Zdroj, June 23.-27.2003

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 23.-27.2003

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

46. Malaria infected red blood cell Plasmodium parasit