OPTYKA RENTGENOWSKA. Semestr letni 2014/2015, piątki, godz. 8:30, A Punkty ECTS: 3

Transkrypt

1 OPTYKA RENTGENOWSKA Semestr letni 2014/2015, piątki, godz. 8:30, A-2-02 Punkty ECTS: 3

2 Prowadzący: dr hab. Paweł Korecki, Zakład Promieniowania Synchrotronowego pok. G-0-09 Instytut Fizyki Wykłady w formacie PDF: HASŁO: x (małe iks) lub bezpośrednio Na stronie www będą także umieszczone dodatkowe materiały i artykuły do pobrania.

3 Egzamin I. Wykaz zagadnień będzie podany pod koniec semestru II. Przebieg egzaminu Trzy pytania: 1) Wybiera student 2) Wybiera los 3) Wybiera egzaminujący pytanie dostosowane do studenta (rok studiów, specjalizacja)

4 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

5 Literatura 2: Optyka: np. E. Hecht, Optyka, PWN 2012 Ogólne: np. R. Feynman i in., Feynmana wykłady z fizyki, PWN pozycje podawane w trakcie wykładu (inne książki, artykuły naukowe, linki www)

6 Dostęp do artykułów Poza UJ: extranet.uj.edu.pl Sieć UJ bez problemów:

7 Optyka rentgenowska Oddziaływanie promieniowania X z materią Rentgenowskie elementy optyczne Wykorzystanie promieniowania X do badania własności materii: struktura geometryczna, dynamika, struktura elektronowa, struktura magnetyczna

8 Zagadnienia 0. Wstęp 1. Elementarne własności promieniowania X 2. 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)

9 W.C. Röntgen Odkrycie promieniowania X Historia - początki M. Laue,Friedrich i Knipping Dyfrakcja promieniowania X Falowa natura promieniowania X A. H. Compton Korpuskularna natura promieniowania X 100 lat Physics Today, Vol. 48, Iss. 11 (1995)

10

11 Współczesne zastosowania Struktura makromolekuł Polymeraza RNA II Nobel z chemii 2006 (Kornberg) Struktura rybosomu Nobel z chemii 2009 (Ramakrishnan,Steitz,Yonath) Struktura nanocząstek mikro-tomografia Optyka X Ultraszybka optyka X Koherentna dyfrakcja i obrazowanie rentgenowskie obiekty nieperiodyczne nanostruktury, bio

12 Laser rentgenowski Wyznacznie struktury wirusa śpiączki afrykanskiej.

13 1. Elementarne własności promieniowania X Długość fali: l=1å Promień Bohra a 0 = 0.53Å Częstotliwość 1 Ångström = 0.1 nm = m n = c/l = 3x10 18 Hz 2.82 Å Energia: E = hn = kev

14 Elementarne własności promieniowania X Nasz umowny podział Miękkie X < 1keV Średnie X 1keV 6 kev Twarde X >6keV Rozróznienie na promieniowanie X i g procesy atomowe lub jądrowe X g

15 Elementarne własności promieniowania X: Współczynnik załamania W zakresie widzialnym n>1 i n 1.5 (szkło), n (powietrze) Promieniowanie X: n = 1 d n<1 d ~ Promieniowanie X słabo oddziałuje z materią zalety + wady (trudności) 2. Współczynnik załamania jest mniejszy od jedności

16 2. Wytwarzanie źródła X Mechanizmy fizyczne + urządzenia Promieniowanie przyspieszanych ładunków (elektrodynamika) Procesy atomowe (mechanika kwantowa)

17 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.

18

19 Ciekawostka: Taśma samoprzylepna generuje promieniowanie X Tryboluminescencja emisja promieniowania EM podczas łamania, pękania ciała. Bez paniki! Promieniowanie X emitowane jest tyko gdy taśma zrywana jest w próżni.

20 Ciekawostka: Taśma samoprzylepna generuje promieniowanie X

21 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: Dla monochromatycznego źródła : Dla polichromatyczneg źródła: względny przedział widmowy (ang. bandwidth BW). liczba fotonów w przedziale widmowym liczba fotonów w względnym przedziale widmowym zwykle podaję się liczbę fotonów przypadających na 0.1% BW (analogicznie do przedrostka mili)

22 Parametry źródła (rentgenowskiego) * 2) Liczba fotonów emitowanych w kąt bryłowy Natężenie promieniowania * (radiant intensity) 3) Liczba fotonów podzielona przez powierzchnię źródła Intensywność promieniowania *, (radiant emittance) *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.

23 Parametry źródła (rentgenowskiego) * 4) Liczba fotonów emitowanych w kąt bryłowy z elementu powierzchni źródła Jasność (brightness) ds dq df dw dx dy S - stała wielkość w dobrym układzie optycznym (w ogólności - nie wzrasta). Małe df/dw Duże df/da Duże df/dw Małe df/da

24 Jasność [fotony/(s x mm 2 x mrad 2 x 0.1% BW)] Parametry źródła (rentgenowskiego) * 5) jasność spektralna (spectral brightness) [najbardziej uniwersalny parametr] Lata

25 Uwaga: parametry źródła musza być dostosowane do sytuacji. [Do oświetlenia pokoju nie używamy wskaźnika laserowego, który ma bardzo dużą jasność] źródło o małej jasności / mały obiekt - niedopasowanie źródło o dużej jasności / duży obiekt - niedopasowanie

26 Lampy rentgenowskie Garaż rentgenowski - pywatna kolekcja dr inż. Grzegorza Jezierskiego (autora ksiązki Rentgenografia przemysłowa )

27 Promieniowanie charakterystyczne Widmo ciągłe Intensywność [fotony/s/bw] Lampy rentgenowskie Promieniowanie X emitowane podczas bombardowania metalowej tarczy wiązką elektronów Obcięcie dla E max =E 0 Energia elektronów E 0 =50keV Energia fotonów E=ћw [kev] Uwaga: ponieważ podana jest liczba fotonów na względny przedział widmowy to wykres pokazuje zależność wypromieniowanej mocy na przedział widmowy

28 Widmo ciągłe: promieniowanie hamowania (podejście klasyczne) Elektrony wpadają w pole kulombowskie jąder atomowych: są rozpraszane (ulegają przyspieszeniu) i emitują promieniowanie. Zgodnie z elektrodynamiką klasyczną każda naładowana przyspieszana cząstka emituje promieniowanie. Dla v<<c (przypadek nierelatywistyczny), natężenie emitowanego promieniowania dane jest przez formułę Larmor a [!] a q kierunek obserwacji Brak emisji w kierunku przyspieszenia a Maksimum emisji w kierunku prostopadłym do a `

29 I 0 [fotony/s/bw] I 0 [fotony/s/bw] Promieniowanie hamowania - semiklasyczne podejście Kramersa Obliczenia klasyczne nie dają dobrego I(E) (E=ћw). Nie przewidują np. ostrego obcięcia ћw max =E 0. W pełni poprawne obliczenia muszą być wykonane w ramach elektrodynamiki kwantowej. Kramers założył, że istnieje pewne (małe) prawdopodobieństwo emisji fotonu w pojedynczym zderzeniu a w b. dużej liczbie zderzeń moc wypromieniowania jest taka sama w obliczeniach klasycznych i kwantowych 1) Wynik dla bardzo cienkiej tarczy ( rzędu nm) 2) Wynik dla grubej tarczy: Elektrony wnikając w tarcze tracą energię: - efektywnie maleje wraz z wnikaniem gruba tarcza ћw max ћw max cienka tarcza E=ћw[keV] E=ћw[keV]

30 I [fotony/s/bw] Promieniowanie hamowania - semiklasyczne podejście Kramersa Natężenie promieniowania X dla grubej tarczy: C K ZE 0 Uwaga: promieniowanie hamowanie jest częściowo spolaryzowane. Stopień polaryzacji zależy od E. E max =E 0 Natężenie promieniowania zmienia się jak E 0 2!

31 I [fotony/s/bw] Intensywność [fotony/s/bw] Promieniowanie hamowania - semiklasyczne podejście Kramersa C K ZE 0 bez atenuacji E max =E 0 absorbcja (tarcza,okno,flitry) Obcięcie dla E max =E 0 Energia fotonów [kev]

32 Promieniowanie charakterystyczne (fluorescencja rentgenowska) ћw=e L -E K Reguły przejść (dipolowe): Dn 0 Dl= 1 Dj=0, 1 (ale j=0 0 zabronione)

33 Promieniowanie charakterystyczne - przykład: fluorescencja miedzi Nomenklatura: K,L,M... Określają poziom gdzie znajduje się dziura K a1 1,2,3,... Podindeksy historia, intensywność horror! a,b,g... indeksy dolne (ltery greckie) zwykle oznaczaja Dn

34 Tablice linii np.

35 Promieniowanie charakterystyczne - intensywność Efektem konkurencyjnym do fluorescencji rentgenowskiej jest efekt Auger a Prawdopodobieństwo fluorescencji Y F Y F Y A dla Z=30 Liczba atomowa Z

36 Elektronowe lampy rentgenowskie - konstrukcja Podstawowe elementy lampy Coolidge a: Szklana bańka próźniowa ( lub metal/ceramika) Żarzona katoda emitująca elektrony 2000K) metalowa anoda emitująca promieniowanie X chłodzenie Okno wyjściowe (beryl)

37 Ograniczenie mocy wzrost temperatury Moc konwencjonalnych lamp rentgenowskich ograniczona jest do ok. 1-5 kw. Głównym ograniczaniem jest podgrzewanie się anody, która rozgrzewa się podczas bombardowania elektronami. Parametrem określającym skuteczność lampy jest: Przykładowo: dla wolframu (Z=74) i napięcia U=100keV e<1%. Ponad 99% mocy jest wydzielana jako ciepło! Rotująca anoda (moc ~100kW)

38 Lampy rentgenowskie materiał anody Mo K a W L a W L b W L g Mo K b Źródło: Bruker AXS

39 Bruker AXS 2kW 60kV - ceramiczna chłodzona wodą Plamka 0.1mm x 10mm lub 1mm x 1 mm ognisko liniowe Lampy rentgenowskie - przykłady Oxford Instruments 50W 50kV chłodzona powietrzem Plamka 50mm Hitachi CT kev 200mA [rotująca anoda] ognisko punktowe ognisko punktowe P. Rastello,

40 Lampy z mikro lub nano-ogniskiem MOC: 1-50W Ognisko 100 nm 50 mm

41 Mikroognisko HAMAMATSU Photonics