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Detektoren für Röntgenstrahlung jede Art elektromagnetischer Strahlung kann durch ihre Interaktion mit Materie detektiert werden Art, Form und Effizienz.

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Präsentation zum Thema: "Detektoren für Röntgenstrahlung jede Art elektromagnetischer Strahlung kann durch ihre Interaktion mit Materie detektiert werden Art, Form und Effizienz."—  Präsentation transkript:

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2 Detektoren für Röntgenstrahlung jede Art elektromagnetischer Strahlung kann durch ihre Interaktion mit Materie detektiert werden Art, Form und Effizienz des Detektors bestimmt auch die Messstrategie kein Detektor erfüllt alle Anforderungen optimal: -Zeitauflösung -Ortsauflösung -Energieauflösung

3 Detektoren für Röntgenstrahlung Charakteristika: -Quanteneffizienz: -Fähigkeit einfallende Photonen zu absorbieren -Verhältnis der detektierten Photon zu einfallenden Photonen (0.5 < QE < 0.9) -abhängig von Photonenenergie und Photonenflussdichte -dynamischer Bereich -Bereich zwischen maximalem (Ende der Linearität) und minimal (intrinsisches Rauschen) beobachtbarem Signal -> Linearität der Zählrate -Linearität der QE in Abhängigkeit von der Photonenflussdichte

4 Detektoren für Röntgenstrahlung Charakteristika: -Sensitivität -minimale Anzahl an Photonen je Zeiteinheit, die detektiert werden können (als Stromfluss), bezogen auf das Rauschen des Detektors -Spektrale Sensitivität -wie gut kann der Detektor Photonen unterschiedlicher Energie detektieren, z.B. wie ändert sich der dynamische Bereich wenn man Photonen anderer Energie nutzt -zeitliche Stabilität -Lebenszyklus des Detektors oder Stabilität über das Experiment -chemische oder physikalische Degradation -Widerstand gegen Strahlungsschäden -präzise Messung der Intensität während eines Experiments

5 Detektoren für Röntgenstrahlung generelles: -Energiebereich: 5 … 25 keV -Anregung von Elektronen in dem (aktiven) Detektormaterial (Absorption, Compton) -daraus ergeben sich sekundäre Prozesse: -Gasionisierung und Bildung von Elektron-Ionen-Paaren -Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren in Halbleitern -Emission von optischen/UV-Photonen durch Fluoreszenz -Erzeugung eines Bildes durch Änderung des Valenzzustandes chemischer Elemente in photographischen Filmen -alle Sekundäreffekte (außer Film) müssen in elektrisch messbare Signale umgewandelt werden (ggf. Verstärkung, Speicherung)

6 Detektoren für Röntgenstrahlung typische Röntgendetektoren DimensionalitätProzess der Photonendetektion GasionisationHalbleiterFluoreszenzchemisch 0DProportionalzählrohrFestkörperdetektorSzintillationszähler 1Dlinearer ortsempfindlicher Detektor Photodiodenfeld 2DVieldrahtdetektorCCDImage Plate, Phosphorschirme Röntgenfilme

7 Detektoren für Röntgenstrahlung 0D-Detektoren: -Photonenzähler -Zählen die Anzahl an Photonen, welche auf eine bestimmte Fläche treffen und geben ein elektrisches Signal aus, welches der Photonenflussdichte entspricht -keine Auflösung des Ortes, an dem das Photon auftrifft -Positionsauflösung (z.B. im Kristallkoordinatensystem) durch mechanisches Bewegen des Detektors

8 Detektoren für Röntgenstrahlung Proportionalzählrohr -beidseitig verschlossener Metallzylinder = Kathode -dünner Metalldraht in Achse des Zylinders = Anode (wird isolierend herausgeführt) -Rohr ist mit einem Zählgas gefüllt -typische Zählgase (Luft, Ar, Xe, Zusätze an CH 4, CO 2 ) -Detektion von  -Strahlung, Röntgenstrahlung,  - und  +,  — Strahlung -Rohrverschluss muss Druckunterschied zwischen Umgebung und Gasfüllung (bis einigen bar) widerstehen

9 Detektoren für Röntgenstrahlung Proportionalzählrohr

10 Detektoren für Röntgenstrahlung Proportionalzählrohr – Funktionsweise -Gleichspannung zwischen Anode und Kathode -ionisierende Strahlung gelangt ins Innere des Rohres -Gasmoleküle werden ionisiert: Elektron – Ionenpaare -Ladungstrennung: Elektronen wandern zur Anode(+), Ionen zur Kathode(-) -Höhe der Zählrohrspannung definiert das Arbeitsprinzip des Zählrohres: -Ionisationskammer -Proportionalzählrohr -Geiger-Müller-Zählrohr

11 Detektoren für Röntgenstrahlung Proportionalzählrohr – Funktionsweise -Rekombination -geringe Spannung -e - rekombinieren mit Ionen auf Weg zur Anode -Stromfluss sagt nichts über Intensität der Primärstrahlung aus -Ionisationskammer -Spannung ~ 100 V -alle freien e - erreichen Anode -Proportionalität zwischen abgegebener Energie der einfallenden Strahlung und Messsignal -Proportionalzählrohr -Geiger-Müller-Zählrohr

12 Detektoren für Röntgenstrahlung Proportionalzählrohr – Funktionsweise -Rekombination -Ionisationskammer -Proportionalzählrohr -höhere Spannung (100 … 1000 V) -e - werden zur Anode hin beschleunigt -ionisieren durch Stöße weitere Gasatome -Ladungskaskade/Elektronenlawine -treten in kleinem Bereich um Anode auf, deshalb ist Stromimpuls unabhängig vom Ort der Ionisierung und Proportional der Energie/Intensität der einfallenden Strahlung -Signal ist durch Lawine verstärkt -Konstruktion mit dünnem Anodendraht wesentlich, auch mehrere Drähte möglich -Geiger-Müller-Zählrohr

13 Detektoren für Röntgenstrahlung Proportionalzählrohr – Funktionsweise -Rekombination -Ionisationskammer -Proportionalzählrohr -Geiger-Müller-Zählrohr -höchste Spannung -jedes einfallende Teilchen bewirkt eine selbständige Gasentladung des gesamten Gasraumes -hohe Empfindlichkeit -lange Totzeit -keine Energiesensitivität -Impulszähler

14 Detektoren für Röntgenstrahlung Szintillationsdetektor

15 Detektoren für Röntgenstrahlung Szintillationsdetektor Szintillator: -Material, welches beim Durchgang von energiereichen Photonen angeregt wird, und diese Anregungsenergie als sichtbares Licht -Dotierung in anorganischen Szintillatoren erzeugt freie Elektronen oder Elektron-Loch-Paare (= Aktivatorzentren) -angeregte Zustände wandern bis sie auf Aktivatorzentrum treffen, das Aktivatorzentrum anregen und dieses unter Emission von Licht zerfällt -Bsp: ZnS, NaI(Tl), PbWO 4, … -Lichtmenge enthält Informationen zur Energie der Primärphotonen -Intensität ergibt sich aus der Anzahl der Szintillationen/Zeit

16 Detektoren für Röntgenstrahlung Szintillationsdetektor -Szintillatorkristall (geschützt) im Kopf des Messgerätes -generiert Lichtblitze beim Einfall ionisierender Strahlung -treffen auf nachgeschaltete Photokathode (Photoeffekt) -äußerer photoelektrischer Effekt: Photon setzt im photoaktiven Material Elektronen frei (Austrittsarbeit) -Elektronen werden in einem Photomultiplier vervielfacht -sind als Stromfluss messbar

17 Detektoren für Röntgenstrahlung Szintillationsdetektor -Photomultiplier: -evakuierter Glaskolben (10 -6 Pa) -freigesetzte Elektronen werden im E-Feld beschleunigt und treffen auf Dynoden -Dynode ist eine Elektrode die e - akzeptiert und emittiert -beschleunigtes Elektron erzeugt an der Oberfläche der Dynode mehrere Sekundärelektronen, welche durch das Potential zwischen 2 Dynoden zur nächsten beschleunigt wird -Materialien: MgO, BeO -Dynoden vervielfachen das einfallende Elektron: Verstärkungsfaktor ~ 10 6

18 18 Detektoren für Röntgenstrahlung Proportionalzähler und Szintillationszähler – Vergleich (1) … Szintillationszähler (NaI-Kristall), (2) … Proportionalzähler gefüllt mit Xe, (3) … Proportionalzähler gefüllt mit N 2 HeCH 4. beide Detektorarten folgen der Poisson-Statistik:

19 19 Detektoren für Röntgenstrahlung Halbleiterdetektoren  Bessere Energieauflösung als die Proportional- oder Szintillationsdetektoren  Arbeitsbereich: 2 keV bis 30 keV (6.17 Å – 0.41 Å)  Energieauflösung für Cu K  (1.542 Å):  E ≤ 300eV  Müssen beim Betrieb gekühlt werden (thermisches Rauschen)

20 Detektoren für Röntgenstrahlung Halbleiterdetektor -Diode, welche in Sperrrichtung geschalten ist (Gleichspannung) -einfallende, ionisierende Strahlung erzeugt Elektronen-Loch-Paare (freie Ladungsträger) -Photon: hebt ein Elektron vom Valenzband in das Leitungsband -Elektron erzeugt aufgrund seiner hohen kinetischen Energie weitere e - -Trennung von Elektron und Loch durch äußere angelegte Spannung ( ~ 1 kV) -wandern im elektrischen Feld zu den Elektroden: Stromfluss messbar -Photonen setzen ihre gesamte Energie an einem Punkt frei -bei sehr hohen Energien kann der Compton-Effekt auftreten -Material: typischerweise Li-gedriftetes Si, Ge

21 21 Detektoren für Röntgenstrahlung 0D Detektoren – Halbleiterdetektor

22 Detektoren für Röntgenstrahlung 1D-Detektoren: -Zählen die Anzahl der auf sie treffenden Photonen je Zeiteinheit -haben sensitive Elemente mit denen Sie den, an dem die Photonen auftreffen registrieren können -registrieren einen kleinen Teil des reziproken Raumes -müssen wie 0D-Detektoren bewegt werden, was aber mit größerer Schrittweite geschehen kann (Detektoröffnung)

23 Detektoren für Röntgenstrahlung lineare, ortsempfindliche Detektoren (LPSD) -sind typischerweise eine Aneinanderreihung von 0D-Detektoren in Form von Ionisationskammern oder Halbleiterdetektoren -haben daher auch eine laterale Auflösung -gasgefüllte LPSD: -e - -Abfuhr und Stromauslese an beiden Seiten des Anodendrahtes -Anodendraht gering el. leitfähig um e - -Fluß zu verlangsamen -gemessen wird die Zeitdifferenz der Signale an beiden Enden des Drahtes -erfüllen die (Para)Fokussierende Bedingung der Bragg-Brentano-Geometrie nur im Zentrum (Auflösung daher gering) -gebogene LPSDs haben einen konstanten Abstand Probe-Detektor -maximaler Winkelbereich 2  < 120° -Halbleiter LPSD: -Kette von Photodioden = Pixel auf einem Si-Chip -typ. 512, 1024, 2048 Px, 25 µm breit, 2.4 mm hoch -Anwendung typischerweise an Synchrotronquellen

24 24 Detektoren für Röntgenstrahlung 1D Detektoren – Proportionaldetektor Röntgenphoton Ionisation des Arbeitsgases (Ar + Methan) Elektrische Impulse werden verstärkt, der Position zugeordnet, nach Energie getrennt und gezählt Impuls

25 Detektoren für Röntgenstrahlung 2D-Detektoren: -Photonenzähler -als Funktion des Auftreffortes auf dem Detektor in 2 Dimensionen wird die je Zeiteinheit auftreffende Zahl an Photonen bestimmt -„sehen“ einen relativ großen Bereich des reziproken Raumes -Verhalten sich ähnlich den Filmaufnahmen, produzieren aber digitale Daten 3 Arten: -Vieldrahtproportionalzähler -Phosphorschirme mit TV-Kamera -CCD-Detektoren

26 Detektoren für Röntgenstrahlung gasgefüllte Vieldrahtproportionalzähler (Drahtkammerdetektor) -2D-Erweiterung der 0D-Proportionalzählrohre -3 parallele planare Elektroden, und 2 (gekreuzte) Anoden dazwischen -Gasfüllung: Xe + CO 2 -Auflösung definiert durch Pixelgrösse, welche die Anodendrähte bilden (> 0.3 mm) -Ladungsaufbau (Dicke Drähte) limitiert Auflösung -sind derzeit nur im Bereich Proportionalzählrohr betreibbar (gering Spannung) -hohe Totzeit limitiert Zählrate (~ 10 6 cps)

27 27 Detektoren für Röntgenstrahlung 2D Detektoren – Proportionalzähler Mit Gas gefüllt 2D Netz von Zähldrahten

28 Detektoren für Röntgenstrahlung Phosphor-Schirme -Röntgenstrahlung wird durch Phosphorschirm in sichtbares Licht umgewandelt -wird mit einer Kamera aufgenommen -z.B. ZnS (250 … 500 ph./X-ray photon) -Signal muss intensiviert werden, indem eine Photokathode und ein zweiter Phosphorschirm nachgeschaltet werden -um gute Statistik zu erhalten benötigt man mehrere Bilder übereinander

29 Detektoren für Röntgenstrahlung CCD-Detektoren -2D-Halbleiterraster, Metalloxid-Halbleiter-Strukturen -Pixelgrössen ca. 1.5 … 20 µm (1 Pixel entspricht einem 0D-Halbleiterdetektor) -je größer das Pixel, desto höher die Sensitivität -Readout: -Ladungen werden nicht wie bei der 0D-Version abgeführt, sondern in einem Potentialtopf gesammelt (~ Kondensator) -Ladungsmenge proportional zur Intensität des einfallenden Signals -gesammelte Ladungen werden Schrittweise von Pixel zu Pixel verschoben, bis sie den Ausleseverstärker erreichen (el. Spannung) -Ausgangssignal ist seriell, Bildaufnahme war allerdings parallel -Rekonstruktion über Elektronik -Vorteile: hoher dynamischer Bereich, bis zu hohen Photonenenergien effizient (20 keV), hohe Ortsauflösung mögliche -Nachteile: müssen gekühlt werden (thermisches Rauschen), grosse Felder sind sehr teuer (üblich 30 x 30 mm 2 )

30 30 Detektoren für Röntgenstrahlung 2D Detektoren – CCD mit Phosphorschirm Prozessschritte: 1.Umwandlung der Röntgenstrahlung in das sichtbare Licht (phosphorhaltige Fluoreszenzplatte) 2.Kompression des Bildes und Leitung der optischen Photonen auf einen CCD Chip (optische Faser) 3.Auf dem CCD Chip entsteht durch die Bestrahlung elektrische Ladung, die elektronisch gelesen (und gleichzeitig gelöscht) wird

31 Detektoren für Röntgenstrahlung Filme -früheste Methode der Messung von gestreuten Röntgenstrahlintensitäten -basierend auf Zersetzung von AgBr  Ag + Br (= Belichtung) -Vorteile: -deckt einen großen Bereich (des reziproken Raumes) ab -sehr gute Ortsauflösung -Flexibilität sehr gut zur Anpassung an verschiedene Beugungsgeometrien -gleichbleibendes Ansprechverhalten über den gesamten aktiven Bereich -dynamischer Bereich: > 10 5, Quanteneffizienz ~ 1 -Nachteile: -geringe Sensitivität -hoher Untergrund -langsamer Ausleseprozess (Photometer)

32 Detektoren für Röntgenstrahlung Image Plates -permanenter, phosphoreszierender Schirm speichert Bild -Speicherung: -aktives Material: BaFBr:Eu 2+ -Leuchtstoff speichert Intensität indem Eu 2+ zu Eu 3+ ionisiert wird und die e - in Br-Vakanzen gefangen werden (metastabiler Zustand) -Halbwertszeit des metastabilen Zustandes: < 10 h -latentes Bild wird über Laseranregung ausgelesen (photostimulated luminescence) -Rückkehr des aktiven Materials in seinen Grundzustand (Eu 3+  Eu 2+ ): Lumineszenz -Lumineszenz wird mittels Szintillator und Photomultiplier erfasst -Image Plate kann mehrfach genutzt werden -Optik des Lesegerätes bestimmt die Ortsauflösung und Bildqualität -ursprünglich wie Film separat auszulesen -heute mit Online-Auslesegeräten, welche der Image Plate nachgeschaltet sind

33 33 Detektoren für Röntgenstrahlung 2D Detektoren Imaging plate Spur des Laserstrahles

34 34 Detektoren für Röntgenstrahlung 2D Detektoren – Imaging plate Energie der Röntgenphotonen wird in einer phosphorhaltigen Schicht gespeichert und mit Laserstrahl gelesen

35 35 Detektoren für Röntgenstrahlung 2D Detektoren – Imaging plate Prozessschritte: 1.Löschen der IP durch sichtbares Licht 2.Exposition mit Röntgenstrahlung 3.Lesen der gespeicherten Information Intensität der Fluoreszenz im sichtbaren Bereich entspricht der Intensität der Röntgenstrahlung

36 36 Detektoren für Röntgenstrahlung 2D Detektoren – Filmmethoden  Photographische Platten mit einer Emulsionsschicht für bessere laterale Auflösung  Photographische Platten mit zwei Emulsionsschichten (an der vorderen Seite und auf der Rückseite) für bessere Effizienz  Polaroid-Filme für schnelle Entwicklung


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