OPTYKA RENTGENOWSKA - users.uj.edu.plusers.uj.edu.pl/~korecki/optykax/w1_2015.pdf · Feynmana...
Transcript of 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.
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
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)
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
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)
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
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
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
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)
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
Historia - początki
1895 - W.C. RöntgenOdkrycie promieniowania X
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
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
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
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
Elementarne własności promieniowania X
Rozróznienie na promieniowanie X i gprocesy atomowe lub jądrowe X
g
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
Nasz umowny podziałMiękkie X < 1keVŚrednie X 1keV – 6 keVTwarde X >6keV
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
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
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
2. Wytwarzanie – źródła X Mechanizmy fizyczne+ urządzenia
Promieniowanie przyspieszanych ładunków (elektrodynamika)
Procesy atomowe(mechanika kwantowa)
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
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.
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
Tryboluminescencjaemisja promieniowania EM podczas łamania,pękania ciała.
Bez paniki! Promieniowanie X emitowanejest tyko gdy taśma zrywana jest w próżni.
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
Ciekawostka: Taśma samoprzylepna generuje promieniowanie X
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
Ciekawostka: Taśma samoprzylepna generuje promieniowanie X
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
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.
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
dS
S
dW
4) Liczba fotonów emitowanych w kąt bryłowy z elementu powierzchni źródła
Jasność
(brightness)
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
Parametry źródła (rentgenowskiego)*
dfdq
dxdy
- stała wielkość w „dobrym” układzie optycznym(w ogólności - nie wzrasta).
Małe dF/dW
Duże dF/dA
Duże dF/dW
Małe dF/dA
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
5) jasność spektralna (spectral brightness)[najbardziej uniwersalny parametr]
Parametry źródła (rentgenowskiego)*
Lata
Jasn
ość
[fo
ton
y/(s
x m
m2
x m
rad
2x
0.1
% B
W)]
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
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]
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
Lampy rentgenowskie
„Garaż rentgenowski” - pywatna kolekcjadr inż. Grzegorza Jezierskiego
(autora ksiązki „Rentgenografia przemysłowa”)Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
Energia fotonów E=ћw [keV]
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
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
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
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
`
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
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
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
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
]
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
Promieniowanie hamowania - semiklasyczne podejście KramersaPromieniowanie hamowania - semiklasyczne podejście Kramersa
bez atenuacji
absorbcja(tarcza,okno,flitry)
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
Promieniowanie charakterystyczne (fluorescencja rentgenowska)
ћw=EL-EK
Reguły przejść (dipolowe): Dn≠0
Dl=1
Dj=0,1
(ale j=00 zabronione)
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
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!
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
Tablice linii np. http://xdb.lbl.gov
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
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
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
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)
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
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)
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
Lampy rentgenowskie – materiał anody
Źródło: Bruker AXS
Mo Ka
Mo Kb
W La
W Lg
W Lb
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
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
Optyka rentgenowska - P. Korecki - 2015
MOC: 1-50WOgnisko 100 nm – 50 mm
Lampy z mikro lub nano-ogniskiem
www.phoenix-xray.com