optyka rentgenowska - users.uj.edu.plusers.uj.edu.pl/~korecki/optykax/w1_2015.pdf · feynmana...

OPTYKA RENTGENOWSKASemestr letni 2014/2015, piątki, godz. 8:30, A-2-02

Punkty ECTS: 3

Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015

Prowadzący: dr hab. Paweł Korecki, Zakład Promieniowania [email protected]. G-0-09 Instytut Fizyki

Wykłady w formacie PDF:http://users.uj.edu.pl/~korecki HASŁO: x (małe iks)lub bezpośredniohttp://users.uj.edu.pl/~korecki/x.html

Na stronie www będą także umieszczone dodatkowe materiały i artykuły do pobrania.


mailto:[email protected]

http://users.uj.edu.pl/~korecki

http://users.uj.edu.pl/~korecki/x.html

Egzamin

I. Wykaz zagadnień będzie podany pod koniec semestru

II. Przebieg egzaminu

Trzy pytania:

1) Wybiera student2) Wybiera los3) Wybiera egzaminujący –

pytanie dostosowane do studenta(rok studiów, specjalizacja)


Literatura 1:

J.-A Nielsen & D. Mc Morrow,Elements of Modern X-ray Physics,Wiley, 2001

D. M. Paganin, Cohernet X-ray Optics,Coherent X-ray Optics,Oxford University Press, 2006

Optyka rentgenowska - P. Korecki – 2015

Literatura 2:

Optyka: np. E. Hecht,Optyka,PWN 2012

Ogólne: np. R. Feynman i in.,Feynmana wykłady z fizyki,PWN 2005

+ pozycje podawane w trakcie wykładu(inne książki, artykuły naukowe, linki www)



Dostęp do artykułów Sieć UJ – bez problemów:

Poza UJ: extranet.uj.edu.pl

Optyka rentgenowska

Oddziaływanie promieniowania X

z materią

Rentgenowskie elementy optyczne

Wykorzystanie promieniowania X do badania własności materii: struktura geometryczna,

dynamika, struktura elektronowa, struktura magnetyczna


Zagadnienia

0. Wstęp1. Elementarne własności promieniowania X2. Wytwarzanie – źródła (2)3. Oddziaływanie promieniowania X z materią (2)4. Detekcja (1)5. Rentgenowskie elementy optyczne (1)6. Obrazowanie, tomografia, mikroskopia (2)7. Metody dyfrakcyjne + problem fazowy (2)8. Koherentna optyka rentgenowska (1)9. Spektroskopia rentgenowska (1)

Wykład dodatkowy - transformacje Fouriera (1)


Historia - początki

1895 - W.C. RöntgenOdkrycie promieniowania X


1922 - A. H. ComptonKorpuskularna natura

promieniowania X

100 lat

Physics Today, Vol. 48,

Iss. 11 (1995)

1912 - M. Laue,Friedrich i KnippingDyfrakcja promieniowania X

Falowa natura promieniowania X

Współczesne zastosowania

Struktura makromolekułPolymeraza RNA II

Nobel z chemii 2006(Kornberg)

Struktura rybosomuNobel z chemii 2009

(Ramakrishnan,Steitz,Yonath)

Struktura nanocząstek

Koherentna dyfrakcja i obrazowanie rentgenowskie obiekty nieperiodyczne – nanostruktury, bio

mikro-tomografia

Optyka X Ultraszybka optyka X

Laser rentgenowski Wyznacznie struktury wirusa śpiączki afrykanskiej.

Długość fali: l=1Å

1 Ångström = 0.1 nm = 10-10 m

Częstotliwość

n = c/l = 3x1018Hz

Energia: E = hn = 12.39 keV

2.82 Å

Promień Bohra a0= 0.53Å

1. Elementarne własności promieniowania X


Elementarne własności promieniowania X

Rozróznienie na promieniowanie X i gprocesy atomowe lub jądrowe X

g


Nasz umowny podziałMiękkie X < 1keVŚrednie X 1keV – 6 keVTwarde X >6keV


Elementarne własności promieniowania X:Współczynnik załamania

n = 1 – d

W zakresie widzialnym n>1 i n≈1.5 (szkło), n≈1.0003 (powietrze)

Promieniowanie X:

1. Promieniowanie X słabo oddziałuje z materią zalety + wady (trudności)2. Współczynnik załamania jest mniejszy od jedności

n<1

d ~ 10-6 10-5


2. Wytwarzanie – źródła X Mechanizmy fizyczne+ urządzenia

Promieniowanie przyspieszanych ładunków (elektrodynamika)

Procesy atomowe(mechanika kwantowa)


Taśma samoprzylepna

Zwykła taśma samoprzylepna (scotch)

By uzyskać powtarzalność wyników, zrywanie taśmy jest zmechanizowane.

Taśma nawinięta jest na rolkę napędzana silnikiem. W zasadzie ten sam efekt uzyskalibyśmy zrywając taśmę ręcznie.


Tryboluminescencjaemisja promieniowania EM podczas łamania,pękania ciała.

Bez paniki! Promieniowanie X emitowanejest tyko gdy taśma zrywana jest w próżni.


Ciekawostka: Taśma samoprzylepna generuje promieniowanie X

Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015

Ciekawostka: Taśma samoprzylepna generuje promieniowanie X


Źródła promieniowania (rentgenowskiego) - parametry

1) Całkowita liczba fotonów emitowanych w pełny kąt bryłowy lub moc

moc [W]

strumień fotonów [1/s]

Konwersja strumienia fotonów na moc:

liczba fotonów w

przedziale widmowym

względny przedział widmowy

(ang. bandwidth – BW).

zwykle podaję się liczbę

fotonów przypadających

na 0.1% BWliczba fotonów w

względnym przedziale widmowym

(analogicznie do przedrostka mili)

Dla polichromatyczneg źródła:

Dla monochromatycznego źródła :

2) Liczba fotonów emitowanych w kąt bryłowy

Parametry źródła (rentgenowskiego)*

Natężenie

promieniowania*

(radiant intensity)

Intensywność

promieniowania*,

(radiant emittance)

3) Liczba fotonów podzielona przez powierzchnię źródła

*Uwaga: podane nazewnictwo wywodzi się z radiometrii. Czasem jest ono niezgodne z nomenklaturą fizyczną. W literaturze można zaobserwować b. dużą niekonsekwencję w

nazewnictiwe. Najlepiej więc zawsze definiować daną wielkość i podawać jej wymiar. Należy też zwracać uwagę na kontekst.


http://images.google.com/imgres?imgurl=http://www.wikat.pl/sklep/images/s-zar_mr16.jpg&imgrefurl=http://www.wikat.pl/sklep/product_info.php?products_id=481&usg=__ojs68qp0ylUc_xD-KmpszpjJNY4=&h=280&w=280&sz=19&hl=pl&start=83&um=1&tbnid=WWETva-bqttOnM:&tbnh=114&tbnw=114&prev=/images?q=%C5%BCar%C3%B3wka&start=80&ndsp=20&um=1&hl=pl&rls=com.microsoft:en-US&sa=N

http://images.google.com/imgres?imgurl=http://www.wikat.pl/sklep/images/s-zar_mr16.jpg&imgrefurl=http://www.wikat.pl/sklep/product_info.php?products_id=481&usg=__ojs68qp0ylUc_xD-KmpszpjJNY4=&h=280&w=280&sz=19&hl=pl&start=83&um=1&tbnid=WWETva-bqttOnM:&tbnh=114&tbnw=114&prev=/images?q=%C5%BCar%C3%B3wka&start=80&ndsp=20&um=1&hl=pl&rls=com.microsoft:en-US&sa=N

dS

S

dW

4) Liczba fotonów emitowanych w kąt bryłowy z elementu powierzchni źródła

Jasność

(brightness)



dfdq

dxdy

- stała wielkość w „dobrym” układzie optycznym(w ogólności - nie wzrasta).

Małe dF/dW

Duże dF/dA

Duże dF/dW

Małe dF/dA


5) jasność spektralna (spectral brightness)[najbardziej uniwersalny parametr]


Lata

Jasn

ość

[fo

ton

y/(s

x m

m2

x m

rad

2x

0.1

% B

W)]


źródło o małej jasności / mały obiekt - niedopasowanie

źródło o dużej jasności / duży obiekt - niedopasowanie

Uwaga: parametry źródła musza być dostosowane do sytuacji.[Do oświetlenia pokoju nie używamy wskaźnika laserowego, który ma bardzo dużą jasność]


Lampy rentgenowskie

„Garaż rentgenowski” - pywatna kolekcjadr inż. Grzegorza Jezierskiego

(autora ksiązki „Rentgenografia przemysłowa”)Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015

Energia fotonów E=ћw [keV]


Widmo ciągłe

Promieniowanie charakterystyczne

Ob

cięc

ie d

la E

max

=E0

Inte

nsyw

ność

[foto

ny/s

/BW

]

Energia elektronów E0=50keV

Promieniowanie X emitowane podczas bombardowania metalowej tarczy wiązką elektronów

Uwaga: ponieważ podana jest liczba fotonów na względny przedział widmowy to wykres pokazuje zależność wypromieniowanej mocy

na przedział widmowy

Lampy rentgenowskie


Widmo ciągłe: promieniowanie hamowania (podejście klasyczne)

Elektrony wpadają w pole kulombowskie jąderatomowych: są rozpraszane (ulegająprzyspieszeniu) i emitują promieniowanie.Zgodnie z elektrodynamiką klasyczną każdanaładowana przyspieszana cząstka emitujepromieniowanie.

Dla v<<c (przypadek nierelatywistyczny),natężenie emitowanego promieniowania danejest przez formułę Larmor’a [!]

aq

kierunek

obserwacji Brak emisji w kierunku

przyspieszenia a

Maksimum emisji

w kierunku prostopadłym

do a

`


Obliczenia klasyczne nie dają dobrego I(E)

(E=ћw). Nie przewidują np. ostrego obcięciaћwmax=E0. W pełni poprawne obliczenia musząbyć wykonane w ramach elektrodynamikikwantowej.

Promieniowanie hamowania - semiklasyczne podejście Kramersa

E=ћw[keV]

ћw maxI 0[f

oto

ny/

s/B

W]

1) Wynik dla bardzo cienkiej tarczy ( rzędu nm) 2) Wynik dla grubej tarczy:Elektrony wnikając w tarcze tracą energię:

Kramers założył, że istnieje pewne (małe)prawdopodobieństwo emisji fotonu wpojedynczym zderzeniu a w b. dużej liczbiezderzeń moc wypromieniowania jest taka samaw obliczeniach klasycznych i kwantowych

cienka tarcza

gruba tarcza

E=ћw[keV]

ћw max

I 0[f

oto

ny/

s/B

W]

- efektywnie maleje wraz z wnikaniem


Promieniowanie hamowania - semiklasyczne podejście Kramersa

Natężenie promieniowania X dla grubej tarczy:

Uwaga: promieniowanie hamowanie jestczęściowo spolaryzowane. Stopień polaryzacjizależy od E.

Emax=E0

CKZE0

I[f

oto

ny/

s/B

W]

Natężenie promieniowania zmienia się jak E02 !

Emax=E0

CKZE0

I[f

oto

ny/

s/B

W]

Energia fotonów [keV]

Ob

cięc

ie d

la E

max

=E0

Inte

nsyw

ność

[foto

ny/s

/BW

]


Promieniowanie hamowania - semiklasyczne podejście KramersaPromieniowanie hamowania - semiklasyczne podejście Kramersa

bez atenuacji

absorbcja(tarcza,okno,flitry)


Promieniowanie charakterystyczne (fluorescencja rentgenowska)

ћw=EL-EK

Reguły przejść (dipolowe): Dn≠0

Dl=1

Dj=0,1

(ale j=00 zabronione)


Promieniowanie charakterystyczne - przykład: fluorescencja miedzi

Nomenklatura:

Ka1

K,L,M ...Określają poziom gdzie znajduje się dziura

a,b,g ...indeksy dolne (ltery greckie) zwykle oznaczaja Dn

1,2,3,....Podindeksyhistoria, intensywnośćhorror!


Tablice linii np. http://xdb.lbl.gov

http://xdb.lbl.gov/

http://xdb.lbl.gov/xdb.pdf

http://xdb.lbl.gov/xdb.pdf


Promieniowanie charakterystyczne - intensywnośćEfektem konkurencyjnym do fluorescencji rentgenowskiej jest efekt Auger’a

Liczba atomowa Z

Pra

wd

op

od

ob

ień

stw

ofl

uo

resc

encj

iYF

YF≈YA

dla Z=30


Elektronowe lampy rentgenowskie - konstrukcja

Podstawowe elementy lampy Coolidge’a:•Szklana bańka próźniowa ( lub metal/ceramika) •Żarzona katoda emitująca elektrony (Wolfram @ 2000K)•metalowa anoda emitująca promieniowanie X•chłodzenie•Okno wyjściowe (beryl)


Ograniczenie mocy – wzrost temperatury

Moc konwencjonalnych lamp rentgenowskich ograniczona jest do ok. 1-5 kW.Głównym ograniczaniem jest podgrzewanie się anody, która rozgrzewa siępodczas bombardowania elektronami. Parametrem określającym skutecznośćlampy jest:

Przykładowo: dla wolframu (Z=74) i napięcia U=100keV e<1%.

Ponad 99% mocy jest wydzielana jako ciepło !

Rotująca anoda (moc ~100kW)


Lampy rentgenowskie – materiał anody

Źródło: Bruker AXS

Mo Ka

Mo Kb

W La

W Lg

W Lb


Lampy rentgenowskie - przykłady

Bruker AXS 2kW 60kV - ceramicznachłodzona wodąPlamka 0.1mm x 10mm lub 1mm x 1 mm

Oxford Instruments50W 50kVchłodzona powietrzemPlamka 50mm

ognisko liniowe

ognisko punktowe

ognisko punktowe

Hitachi CT 120-150 keV200mA[rotująca anoda]

P. Rastello, www.e-radiography.net


MOC: 1-50WOgnisko 100 nm – 50 mm

Lampy z mikro lub nano-ogniskiem

www.phoenix-xray.com


Mikroognisko

HAMAMATSU Photonics

optyka rentgenowska - users.uj.edu.plusers.uj.edu.pl/~korecki/optykax/w1_2015.pdf · feynmana...

Documents