OPTYKA RENTGENOWSKA Semestr letni 2014/2015, piątki, godz. 8:30, A-2-02 Punkty ECTS: 3
Prowadzący: dr hab. Paweł Korecki, Zakład Promieniowania Synchrotronowego pawel.korecki@uj.edu.pl pok. G-0-09 Instytut Fizyki Wykłady w formacie PDF: http://users.uj.edu.pl/~korecki HASŁO: x (małe iks) lub bezpośrednio http://users.uj.edu.pl/~korecki/x.html Na stronie www będą także umieszczone dodatkowe materiały i artykuły do pobrania.
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)
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 Poza UJ: extranet.uj.edu.pl Sieć UJ bez problemów:
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. 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)
1895 - W.C. Röntgen Odkrycie promieniowania X Historia - początki 1912 - M. Laue,Friedrich i Knipping Dyfrakcja promieniowania X Falowa natura promieniowania X 1922 - A. H. Compton Korpuskularna natura promieniowania X 100 lat Physics Today, Vol. 48, Iss. 11 (1995)
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
Laser rentgenowski Wyznacznie struktury wirusa śpiączki afrykanskiej.
1. Elementarne własności promieniowania X Długość fali: l=1å Promień Bohra a 0 = 0.53Å Częstotliwość 1 Ångström = 0.1 nm = 10-10 m n = c/l = 3x10 18 Hz 2.82 Å Energia: E = hn = 12.39 kev
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
Elementarne własności promieniowania X: Współczynnik załamania W zakresie widzialnym n>1 i n 1.5 (szkło), n 1.0003 (powietrze) Promieniowanie X: n = 1 d n<1 d ~ 10-6 10-5 1. Promieniowanie X słabo oddziałuje z materią zalety + wady (trudności) 2. Współczynnik załamania jest mniejszy od jedności
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.
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.
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: 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)
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.
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
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
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
Lampy rentgenowskie Garaż rentgenowski - pywatna kolekcja dr inż. Grzegorza Jezierskiego (autora ksiązki Rentgenografia przemysłowa )
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
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 `
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]
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!
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]
Promieniowanie charakterystyczne (fluorescencja rentgenowska) ћw=e L -E K Reguły przejść (dipolowe): Dn 0 Dl= 1 Dj=0, 1 (ale j=0 0 zabronione)
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
Tablice linii np. http://xdb.lbl.gov
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
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 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)
Lampy rentgenowskie materiał anody Mo K a W L a W L b W L g Mo K b Źródło: Bruker AXS
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 120-150 kev 200mA [rotująca anoda] ognisko punktowe ognisko punktowe P. Rastello, www.e-radiography.net
Lampy z mikro lub nano-ogniskiem MOC: 1-50W Ognisko 100 nm 50 mm www.phoenix-xray.com
Mikroognisko HAMAMATSU Photonics