J

Fyzika rtg. paprsků - zdroje a detekce

Ivo Kraus, Jiří Ječný – Ján Maďar

1. Fyzika rentgenových paprsků

Rentgenovy paprsky (1) jsou elektromagnetické záření (2) vlnově - částicové povahy (3) o vlnové délce (4) , resp. energii rentgenového kvanta (fotonu) (5) cca Nejčastejším podnětem k uvolnění rentgenového záření je zabrzdění elektronů v elektrostatickém poli jádra nebo ionizace atomů. Prvním procesem vzniká záření nazývané spojité záření (6) nebo bílé záření (7) s ostrou krátkovlnnou hranicí (8). Spektrální distribucí (9) spojitého záření rozumíme závislost intenzity spojitého záření na vlnové délce. Krátkovlnné rentgenové záření (10) má velikou pronikavost (11) a je proto označováno jako tvrdé záření (12); analogicky je dlouhovlnné záření (13) označováno jako měkké záření (14). Účinnost přeměny (15) kinetické energie elektronů na energii rentgenového záření není obvykle větší než několik procent.

Podmínkou vzniku charakteristického záření (16) je uvolnění elektronu z některé vnitřní energetické hladiny atomu (17). Prázdná místa obsadí elektrony z vyšších energetických hladin. Vlnovou délku záření, které je při přechodu emitováno, určuje rozdíl energií odpovídajících hladin atomu. Charakteristická spektra se kategorizují v souhlase s hladinami, z nichž byl elektron uvolněn, jako série K, L, M,...(18), nebo emisní série K, L, M, ... (19). Energetické hladiny L, M, ... jsou rozštěpeny na podhladiny (20) charakterizované kvantovými čísly. Přípustné přechody mezi podhladinami jsou dány výběrovými pravidly (21) pro jednotlivá kvantová čísla. Z hlediska strukturní rentgenografie jsou nejdůležitejší ty přechody, při nichž vznikají čáry charakteristického záření (22). Nejmenší napětí, kterým musí být elektrón urychlován mezi katodou a anodou rentgenové lampy (zdroje rentgenového záření) aby se uvolnil elektron z vnitřní elektronové hladiny, např. K, označujeme budící napětí (23) série K. Podmínkou pro vznik celých sérií L, M, ... je existence neobsazených kvantových stavů (24) na podhladinách Odevzdá-li energii potřebnou k odtržení elektronu z některé vnitřní hladiny atomu rychle letící elektron, nazýváme vzniklé záření primární (25) (viz „komentář“). Je-li atom ionizován rentgenovým fotonem, označujeme uvolněné záření termínem sekundární (26) nebo fluorescenční (27). Závislost frekvence určité spektrální čáry na protonovém čísle Z je dána Moseleyho zákonem (28). Dvojici spektrálních čar nazýváme dublet (29). U rentgenových paprsků je podobně jako u viditelného světla pozorována polarizace (30) a lom (31).

Rentgenové paprsky o vlnových délkách používaných k difrakčnímu experimentu předávají při průchodu hmotným prostředím svou energii fluorescenčnímu záření, pružně rozptýlenému záření, nepružně rozptýlenému záření (Comptonův rozptyl) a elektronové emisi (fotoelektrony, Comptonovy elektrony). Společný účinek jevů vedoucích ke strátě energie svazku rentgenových paprsků lze charakterizovat absorpčním zákonem , kde resp. je intenzita záření dopadajícího na vrstvu látky o tlouštce d resp. prošlého touto vrstvou a μ je lineární součinitel (syn. koeficient) zeslabení rentgenového záření (32). Poměr lineárního součinitele zeslabení μ k hustotě ρ absorbujícího prostředí se nazývá látkový součinitel zeslabení μ /ρ (33). Lineární součinitel zeslabení μ může být chápán jako součet lineárního absorpčního součinitele τ (34) odpovídajícího fotoefektu a lineárního rozptylového součinitele σ (35) odpovídajícího Comptonovu efektu. Analogicky platí, že látkový součinitel zeslabení μ /ρ je součtem látkového absorpčního součinitele τ/ρ (36) a látkového rozptylového součinitele σ /ρ (37). Ve strukturní analýze obyčejně předpokládáme .

Hodnotu tloušťky materiálu, po jejímž průchodu se intenzita záření sníží na polovinu, nazýváme polotloušťka (38). Empiricky bylo zjištěno, že Konstanta C se při určité vlnové délce, která je u různých prvků různá, mění skokem. Diskontinuitu nazýváme absorpční hrana (39). Kromě jednoduché absorpční hrany K lze pozorovat i trojnásobnou hranu L (40), pětinásobnou M, ... Má-li dojít k ionizaci atomu v některé jeho vnitřní hladině, je třeba, aby dopadající elektron nebo foton rentgenového záření měly energii větší než je ionizační energie (41) pro danou hladinu. Každé energetické hladině proto přísluší určitá mezní hodnota vlnové délky (např. ), tzv. vlnová délka absorpční hrany (42). Budeme-li sledovat průběh intenzity záření prošlého vrstvou určité tlouštky v závislosti na vlnové délce, dostaneme absorpční spektrum (43). Průchodem rentgenového svazku, obsahujícího kromě spojitého záření i čáry série K, fólií z látky, jejíž absorpční hrana leží mezi vlnovými délkami čar , dojde k selektivní absorpci převážné části energie . Takový filtr, označovaný jako (44), bude zeslabovat rovněž část spojitého záření o vlnových délkách kratších, než je vlnová délka . Kombinací dvou β-filtrů vhodných tlouštěk s absorpčními hranami ležícími v blízkosti , přičemž , vznikne Rossův filtr (balanční filtr) (45). S výjimkou oblasti mezi jsou všechny vlnové délky včetně zeslabeny oběma filtry stejně. Zhotovíme-li jedním zdrojem záření difrakční diagramy určité látky nejprve s jedním, a pak s druhým filtrem, může být rozdíl difraktovaných intenzit na obou diagramech přirazen vlnovým délkám úzkého spektrálního pásma mezi , zejména . Rossův filtr tak plní úlohu monochromátoru.

Monochromátor (46) slouží k vymezení úzkého intervalu vlnových délek rentgenového záření (např. dubletu ), případně jedné spektrální čáry. Pro monochromatizaci se využívá difrakce rentgenového záření na monokrystalech (např. ) nebo na polykrystalických materiálech s významnou texturou (např. grafit). V obou případech může jít o uspořádání na průchod nebo na odraz. Monochromatizující krystal nebo polykrystalický materiál může být rovinný – rovinný monochromátor (47), ohnutý – ohnutý monochromátor (48) nebo broušený –broušený monochromátor (49).

2. Zdroje rentgenového záření

Nejrozšířenějším zdrojem rentgenového záření je rentgenová lampa (rentgenka) (50). Katodu rentgenky tvoří speciálně tvarovaná elektroda s fokusačním účinkem a wolframové žhavící vlákno (51). Anoda je chlazený kovový blok s terčíkem (52) kovu, jehož charakteristické rentgenové spektrum je požadováno (Fe, Cu, Mo, ...). Mluvíme stručně o Fe – rentgence, Cu – rentgence, nebo o Fe – anodě, Cu – anodě ... (53). Vláknem emitované eletrony jsou urychlovány potenciálovým rozdílem desítek kV mezi anodou a katodou. Místo dopadu elektronů na terčík - ohnisko rentgenky (54) je vlastním zdrojem rentgenového záření. Systém je umístěn v evakuované odtavené skleněné baňce – odtavená rentgenka (55) nebo je evakuován za provozu kontinuelně – čerpaná rentgenka (56).

Záření vystupuje z lampy okénky (57) krytými beriliovou folii. Velikost okénka vymezuje horní a dolní mez snímacího úhlu (58) (úhel mezi rovinou povrchu anody a osou kolimačního systému „přistaveného“ zařízení; typicky ). Podle skutečného plošného rozměru ohniska rozlišujeme rentgenky s normálním ohniskem (59) , jemným ohniskem (60) () a širokým ohniskem (61) . Do výstupních okének se ohnisko promítá ve dvou k sobě kolmých směrech jako čárové (62) nebo bodové (63) (typ. resp. pro normální ohnisko a snímací úhel ). V mikrofokusních rentgenkách (64) pro speciální účely se elektrostatickou nebo elektromagnetickou fokusací elektronového svazku dosahuje plošných rozměrů ohniska pod .

Rentgenka je za provozu umístěna v krytu (65), který chrání obsluhu před ozářením, nese zařízení pro uzavírání výstupních okének – závěrky (66) umožňuje připojení chladícího okruhu (67) a vysokonapěťového kabelu (68) od vysokonapěťového generátoru (69) (zdroje).

Intenzívnějším (typ. 20krát) zdrojem rentgenového záření je rentgenová lampa s rotující anodou (70). Zvýšení zatížitelnosti (výkonu) lampy (71) a zvýšení dovoleného měrného (specifického) zatížení ohniska (72) je dosaženo rozložením tepelného zatížení po obvodu anody tvaru rotujícího disku.

Kruhové vysokofrekvenční urychlovače (73) elektronů – synchrotrony (pro rentgenové aplikace akumulační prstence (74)) jsou intenzivním zdrojem polarizovaného elektromagnetického záření – synchrotronového záření (75). Rentgenová část jeho spojitého spektra má intenzity převyšující o 2 až 3 řády intenzitu konvenčních rentgenek.

3. Detekce rentgenového záření

Detekce rentgenového záření (76) je založena na využití některého z následujících jevů vyvolaných působením fotonů rentgenového záření:

- chemický efekt redukce kovového stříbra z halogenidů stříbra ve fotografické emulzi,

- ionizace plynů (77) vedoucí k produkci elektronů a pozitivních iontů,

- fluorescenční jev (78) konverze fotonů rentgenového záření na fotony viditelného nebo ultrafialového záření

- jev tvorby párů elektron-díra (79) v polovodičích (80),

- fotoelektrický jev (81) emise fotoelektronů (82) z rentgenové fotokatody (83).

Výstupní signály pozičně citlivých detektorů (PCD) (84) podávají informaci o intenzitě dopadajícího rentgenového záření a o polohových souřadnicích (85) místa dopadu fotonů, bodové detektory (86) měří pouze intenzitu záření. Impulzní detektory (87) umožňují registrovat jednotlivé fotony, detektory charakteru integračních (analogových) zařízení (88) generují odezvu, která je funkcí četnosti (89) dopadajících fotonů.

Některé důležité charakteristiky detektorů

Detekční účinnost (kvantová účinnost, kvantová detekční účinnost) (90) je poměr počtu fotonů zaregistrovaných k počtu fotonů dopadajících na vstup detektoru.

Dynamický rozsah (91) je obor registrovaných četností. Zdola je omezen pozadím (92), a vlastním šumem (93) detektoru, shora u impulzních detektorů mrtvou dobou.

Mrtvá doba (94) detektoru je minimální časový odstup mezi dopadem dvou fotonů, aby byly registrovány jako dva rozlišitelné impulzy.

Prostorové (lineární, úhlové) rozlišení (95) (rozlišovací schopnost) PCD je dáno lineárním rozměrem elektronicky nebo opticky rozlišitelných obrazových prvků (96) nebo lineární vzdálenost sousedících obrazových prvků.

Prostorové zkreslení (paralaxa) (97) vzniká u přímých nebo rovinných PCD, jestliže záření na ně nedopadá kolmo.

Energetické rozlišení (98) vykazují detektory, jejichž výstupní signál (typ. amplituda pulsů) je úměrný energii fotonů (nebo je alespoň funkčně závislý). Amplitudové diskriminace (99) (amplitudových analyzátorů (100)) je pak možno použít pro dosažení výhodného poměru signálu k šumu (101). Mírou energetického rozlišení je pološířka (102) rozdělení amplitudy pulsů kolem střední hodnoty pro detekci monoenergetického záření.

Oblast částečné rekombinace (103) (oblast Ohmova zákona (104)), oblast nasycení (105), oblast proporcionality (106), oblast Geigerova (107) a oblast trvalého výboje (108) jsou charakteristické úseky na křivce závislosti ionizačního proudu (109) detektorů s plynovou náplní na napětí mezi jejich elektrodami při konstantní intenzitě rentgenového záření.

Součinitel plynového zesílení (110) vystihuje vliv nárazové ionizace (111), která způsobuje růst ionizačního proudu v oblasti proporcionální a Geigerově.

Charakteristikou detektoru (112) impulzního typu rozumíme závislost četnosti impulzů na pracovném napětí při konstantní intenzitě rentgenového záření. Pro některé typy detektorů vykazuje charakteristika výrazné plató (113).

a) Bodové detektory

Nejrozšířenějšími bodovými detektory jsou Geigerův – Müllerův detektor (G-M detektor) (114), proporcionální (bodový) detektor (dále PD) (115) a scintilační (bodový) detektor (dále SD) (116). Všechny mají impulzní charakter a jejich charakteristiky vykazují plató, v jehož rozsahu se volí pracovní napětí detektoru.

G-M detektor a PD jsou plynem plněné ionizační detektory (117). Jejich základem je kovová válcová katoda, v jejíž ose je izolovaně umístěn wolframový drát – anoda. Prostor mezi elektrodami je vyplněn inertním plynem (Ar, Xe, ...). Záření vstupuje do detektoru koncovým (u G-M detektoru) nebo bočním (u PD) okénkem (118). Pracovní oblastí PD je oblast proporcionality a jeho výstupní pulzy vykazují energetické rozlišení (s výše uvedenými důsledky). Pracovní oblastí G-M detektoru je Geigerova oblast, amplituda výstupních pulzů je uniformní. Pro skrácení mrtvé doby se u obou detektorů využívá samozhášejícího účinku (119) víceatomových molekul některých organických látek na výboj v plynech (ve formě par se přidávají do plynové náplně) a vnějších elektronických zhášecích obvodů (120).

Bodový SD je tvořen scintilačním krystalem (scintilátorem) (121) (typicky pro rentgenové záření NaI aktivovaný thaliem) a fotonásobičem (122). Ve scintilátoru probíhá fluorescenční konverze fotonů rentgenového záření na fotony viditelného nebo ultrafialového světla, které uvolňují elektrony z fotokatody (123) fotonásobiče (typ. antimono – cesiová). Elektrony násobené v dynodovém systému (124) fotonásobiče vyvolávají po dopadu na anodu napěťový puls. Jeho amplituda je úměrná energii primárního fotonu rentgenového záření (viď energetické rozlišení). Systém je umístěn ve světlotěsném krytu, scintilátor je kryt beriliovou fólií.

Ionizační komora (125) je plynem plněný ionizační detektor integračního typu. Pracuje v oblasti nasycení, k nárazové ionizaci nedochází. Konstrukčně je rozličného provedení.

Perspektivním typem bodového detektoru je polovodičový detektor (126) založený na efektu tvorby párů elektron – díra v přechodové vrstvě (127) polovodiče působením fotonů rentgenového nebo viditelného (ultrafialového) světla (ionizace v pevné fázi (128)) po předchozí fluorescenční konverzi ve vhodném materiálu (viz SD). Druhý způsob eliminuje nebezpečí radiační destrukce polovodivého materiálu (typické pro Si). Polovodičové detektory se vyznačují velmi ostrým energetickým rozlišením, extrémně nízkou mrtvou dobou a vysokou detekční účinností jako důsledek velké pohyblivosti nosičů náboje (129), nízkého ionizačního potenciálu a vysoké absorpční účinnosti (130). Nevýhodu vysokého vlastního šumu (temného proudu (131)) za normální teploty lze omezit provozem detektoru při nízkých teplotách (tekutý dusík).

b) Pozičně citlivé detektory

Terminologie v této oblasti není jednoznačná a ustálená ani v anglické odborné literatuře, neboť se objevují a jsou popisovány stále nové druhy PCD (většinou jako unikátní zařízení). Je to umožněno kombinováním různých typů detekčního procesu, způsobů lokalizace polohových souřadnic, způsobů elektronického zpracování a uchování difrakčního obrazu a aplikací nových elektronických součástek a technik. Pojmenování jednotlivých PCD většinou pouze hrubě vystihuje jejich charakter nebo zdůrazňuje některý jejich rys (např. proporcionální PCD, PCD se zpožďovací linkou a pod.), teprve detailní popis objasňuje jejich účinnost a odlišnost od jiných druhů PCD. Výjimkou v tomto směru je pouze rentgenový film (132).

Bez nároku na úplnost uvádíme proto dále jen některé častěji se vyskytující termíny „elektronických“ PCD. Jednorozměrné (lineární) PCD (133) poskytují (kromě intenzity) jednu polohovou souřadnici místa dopadu fotonů. Mohou být přímé (134) nebo ohnuté (zakřivené) (135). Dvoudimenzionální (plošné) PCD (136) dávají dvě polohové souřadnice, nejčastěji jsou rovinné (137).

Ionizační (plynem plněný) PCD (138) (často pouze proporcionální PCD (139)), polovodičový PCD (140), PCD s rentgenovou fotokatodou (141), rentgenová televizní kamera (142) jsou některá označení PCD, která charakterizují typ detekčního procesu.

PCD s odporovou anodou (143), PCD se zpožďovací linkou (144), PCD s kódovanou anodou (145), mozaikový (polovodičový) PCD (146), multielektrodový PCD (147) jsou některá pojmenování PCD, která se vztahují ke způsobu odečítání polohových souřadnic.

Nékteré další pojmy: světlovodný zesilovač obrazu (148), snímání (obrazu) pomocí CCD (nábojově vázané prvky) (149), analogově číslicový převodník (150), mnohokanálový amplitudový analyzátor (151), driftová komora (152), (konstrukční úprava plynem plněného PCD potlačující paralaxu), laserové snímání obrazu (153).

c) Rentgenový film (dále RF)

je nejpoužívanějším PCD rentgenového záření. Detekce je založena na chemickém účinku fotonů na fotografickou emulzi, která je jedno- nebo oboustranně (154) nanesena na čirou (typ. polyesterovou) fólii.

RF s jednostrannou emulzí a filmy jemnozrnné (155) mají menší detekční účinnost (citlivost (156)) a lepší lineární rozlišení než RF s oboustrannou emulzí a filmy hrubozrnné (157). Použitím zesilovací fólie (158) lze zvýšit detekční účinnost pro krátkovlnné záření.

Mezi hustotou sčernání (optickou hustotou) (159) (dekadický logaritmus poměru intenzity světla procházejícího neexponovaným a exponovaným místem filmu) a expozicí (160) (součin intenzity rentgenového záření a expoziční doby) platí v určitém rozsahu přímá úměrnost. Hustota sčernání se měří jedno- nebo dvoupaprskovými fotometry (161). Dynamický rozsah filmové detekce lze rozšířit metodou současného exponování více filmů.

Komentář

V některých případech má jeden pojem ke svému označení tolik synonym, že jejich výčet by krystalografické nomenklatuře asi příliš neposloužil. Ilustrací může být záření spojité, bílé, brzdné, polychromatické, heterochromatické nebo budící napětí, budící potenciál, práh buzení, prahové napětí.

Termíny primární a sekundární rentgenové záření se používají ve dvojím smyslu:

a) podle způsobu ionizace atomu (elektronem nebo fotonem),

b) podle toho, zda se jedná o záření dopadající na prostředí nebo o záření, které s prostředím reagovalo.

Termím mikrofokusní rentgenka se někdy používá k označení rentgenek s jemným ohniskem. Výrobce Chirana označoval odtavené rentgenky s jemným a normálním ohniskem jako mikrostrukturní.

V literatuře se často vyskytuje méně vhodný název počítač (G-M počítač, proporcionální počítač, atd.) místo doporučeného termínu detektor (G-M detektor, proporcionální detektor, atd.)