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

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 > 105 Linearität der Zählrate Linearität der QE in Abhängigkeit von der Photonenflussdichte

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

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)

Detektoren für Röntgenstrahlung typische Röntgendetektoren Dimensionalität Prozess der Photonendetektion Gasionisation Halbleiter Fluoreszenz chemisch 0D Proportionalzählrohr Festkörperdetektor Szintillationszähler 1D linearer ortsempfindlicher Detektor Photodiodenfeld 2D Vieldrahtdetektor CCD Image Plate, Phosphorschirme Röntgenfilme

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

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 CH4, CO2) Detektion von g-Strahlung, Röntgenstrahlung, a- und b+,b—Strahlung Rohrverschluss muss Druckunterschied zwischen Umgebung und Gasfüllung (bis einigen bar) widerstehen

Detektoren für Röntgenstrahlung Proportionalzählrohr

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

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

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

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

Detektoren für Röntgenstrahlung Szintillationsdetektor

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), PbWO4, … Lichtmenge enthält Informationen zur Energie der Primärphotonen Intensität ergibt sich aus der Anzahl der Szintillationen/Zeit

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

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 ~ 106

Detektoren für Röntgenstrahlung Proportionalzähler und Szintillationszähler – Vergleich (1) … Szintillationszähler (NaI-Kristall), (2) … Proportionalzähler gefüllt mit Xe, (3) … Proportionalzähler gefüllt mit N2HeCH4. beide Detektorarten folgen der Poisson-Statistik: 𝜎= 𝑛

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)

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

Detektoren für Röntgenstrahlung 0D Detektoren – Halbleiterdetektor

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)

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 2q < 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

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

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

Detektoren für Röntgenstrahlung gasgefüllte Vieldrahtproportionalzähler (Drahtkammerdetektor) 2D-Erweiterung der 0D-Proportionalzählrohre 3 parallele planare Elektroden, und 2 (gekreuzte) Anoden dazwischen Gasfüllung: Xe + CO2 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 (~ 106 cps)

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

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

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 mm2)

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

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: > 105, Quanteneffizienz ~ 1 Nachteile: geringe Sensitivität hoher Untergrund langsamer Ausleseprozess (Photometer)

Detektoren für Röntgenstrahlung Image Plates permanenter, phosphoreszierender Schirm speichert Bild Speicherung: aktives Material: BaFBr:Eu2+ Leuchtstoff speichert Intensität indem Eu2+ zu Eu3+ 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 (Eu3+  Eu2+): 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

Detektoren für Röntgenstrahlung 2D Detektoren Imaging plate Spur des Laserstrahles

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

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

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