Fotonásobič. fotokatoda. typicky: - koeficient sekundární emise = počet dynod N = zisk: G = fokusační elektrononová optika

Fotonásobič • vstupní okno

zesílení

• fotokatoda

G N

E  h  e

• fokusační elektrononová optika • systém dynod • anoda

• typicky: - koeficient sekundární emise  = 3 – 4 - počet dynod N = 10 – 12 - zisk: G = 105 - 107

Fotonásobič • vstupní okno • fotokatoda

zesílení

E  h  e

• fokusační elektrononová optika • systém dynod • anoda

G 

N

 U d 

N

•  ~ Ud

dU d dU c dG N N G Ud Uc

Fotonásobič – vstupní okno • vstupní okno

Fotonásobič - fotokatoda

• fotokatoda

amorfní syntetické SiO2

• bi-alkalická K2CsSb • ~ 10-50 nm tenká vrstva napařená na vstupním okně

borosilikátové sklo

Fotonásobič - fotokatoda • kvantová účinnost:

   

N pe

N   ph

• Npe počet uvolněných fotoelektronů • Nph počet dopadajích fotonů • spektrální citlivost:

E   

I pe

P   ph

e     hc

• Ipe proud fotoelektronů • Pph intezita dopadajího světla

Fotonásobič – fokusační elektronová optika • fokusační elektrononová optika p • účinnost sběru > 80% • doba letu k dynodě musí být stejná (nezávislá na místě emise)

Fotonásobič – systém dynod • emise sekundárních elektronů • povrch dynod: Cs-Sb, Cu-Be, Ag-Mg - vysoký faktor sekundární emise  - stabilita i při vysokých proudech - nízká termionická emise

Fotonásobič – dělič napětí • kladné napětí

• záporné napětí

Fotonásobič – dělič napětí • záporné napětí – pulsní mód

Fotonásobič – temný proud šum • termionická emise z katody a z dynod • svodové proudy • zbytková radiace

Fotonásobič – temný proud Richardsonův zákon

 W  r T   T exp    kT  2

• výstupní práce W = 0.5 eV

Polovodičové detektory

vodivostní pás záchytové nebo rekombinační centrum valenční pás

Polovodičové detektory p-n přechod dí díry

elektrony p typ

n typ

-

- + + - +

depleted layer ~ 100 m

Polovodičové detektory p-n přechod dí díry

elektrony p typ

n typ

-

- + + - +

depleted layer ~ 100 m

+ HV

p contakt

- - + + + + - - + + + + - - - + + + -

-

- HV

n kontakt

Ge(Li) Polovodičové detektory • ZSi = 14 • ZGe = 32

fotoefekt ~ Z 5  60  větší pro Ge • Li donor

- HV

p contakt

- - + + + + - - + + + + - - - + + + -

-

+ HV

n kontakt

Ge(Li) Polovodičové detektory

+ HV

p contakt

- - + + + + - - + + + + - - - + + + -

-

- HV

n kontakt

Ge(Li) Polovodičové detektory 137Cs

137Cs

HPGe polovodičové detektory • krystal vysoce čistého Ge (p – typ) • cimp < 1010 cm-3 = 2  10-7 ppm

• zonální čištění nečistoty zůstávají j v tavenině indukční cívky

HPGe polovodičové detektory • koaxiální konfigurace

n-p přechod na vnějším povrchu (vhodnější stačí menší HV) p-typ

p-n přechod na vnitřním povrchu

n-typ

HPGe polovodičové detektory • koaxiální konfigurace (p-typ) • n-p přechod na vnějším povrchu • detekuje  s E > 50 keV (kvůli n+ elektrodě na povrchu)

HPGe polovodičové detektory • koaxiální HPGe detektor

HPGe polovodičové detektory • krystal vysoce čistého Ge

n + kontakt

• cimp < 1010 cm-3 = 2  10-7 ppm p + kontakt

HPGe polovodičové detektory

HPGe polovodičové detektory

1.2x105

106

105

105

8.0x104

104

counts

counts

137Cs

6.0x104

103

4 0 104 4.0x10

102

2.0x104

101

0

100

200

300

400

500

E (keV)

600

700

100 100

200

300

400

500

E (keV)

600

700

HPGe polovodičové detektory • energetické rozlišení (FWHM) • E = 122 keV (55Fe EC) R = 0.5 0 5 – 1.0 10% • E = 1333 keV (60Co -) R = 0.14 – 0.17 % • relativní účinnost (% NaI)

absolutní b l t í vnitřní itř í účinnost úči t

Nábojově citlivý předzesilovač • vstupní impedance: • výstupní napětí

Ri C det  t coll

QS VO  Cf

• zisk

dV O 1 AQ   dQ Ś C f

FWHM  0 .96 keV

Nábojově citlivý předzesilovač • vstupní impedance: • výstupní napětí

Ri C det  t coll

• zisk

QS VO  Cf

40

30

U (mV V)

20

10

0

-10

0

20

40

60

80

t (s)

100

120

140

dV O 1 AQ   dQ Ś C f

Šum: scintilační detektory 511 keV -záření

E

N

N 1 E     E N N N

~ 5000 fotonů emitovaných BaF2 scintilátorem (100 eV/foton)

~ 100 fotonů na fotokatodě (rychlá komponenta)

Poissonovo rozdělení

E  6 %

((integrální g světelný ý výstup ý p BaF2 20 / 2 % NaI))

~ 3 108 elektronů na anodě ( (zisk PMT G = 107, kvantová účinnost katodyy  = 25%), ), 4 mA max. proud (délka pulsu 30 ns) 0.2 V (pro 50  vstupní impedanci)

 sig  G  100  2  10 4 e  el  10  1000 e dosažitelný elektronický šum: fluktuace signálu:

FWHM  14 % (70 keV)

elektronický šum lze zanedbat

Šum: polovodičové detektory 511 keV -záření ~ 173000 párů elektron-díra (Ge  = 2.96 eV/e-díra pár) vnitřní rozlišení na energii E = 511 keV (fano faktor F = 0.1) 0 1)

E 

F  0 .08 % E

fluktuace signálu:

FWHM  0 .96 keV

 sig  173000 F  132 e

dosažitelný elektronický šum:

 el  10  1000 e

elektronický šum je dominantní

Rtg. záření 30 – 150 kV

• rentgenka • anoda Cu, Co, W, Mo • ~ 1% energie i  rtg. t záření ář í

Rtg. záření • rentgenka • anoda Cu, Co, W, Mo • ~ 1% energie i  rtg. t záření ář í

rotující anoda

Spektrum rtg. záření • rentgenka

I cont  AiZV

m

m2

Photon energy [keV]

x 10

Spektrum rtg. záření • rentgenka

I cont  AiZV

m

m2

I K  line n2

n    Bi V  V K

Spektrum rtg. záření Mo anoda, Zr  filter

• rentgenka

I cont  AiZV

m

m2

I K  line

n    Bi V  V K

n2

E

hc



Absorpce rtg. záření • absorpce

dI   I dx •  – lineární absorpční koeficient

I  x   I 0 e  x •   – hmotnostní absorpční koeficient

I x   I 0 e



 x 

Absorpce rtg. záření Ni - hmotnostní absorpční p koeficient

•   – hmotnostní absorpční koeficient

  k 3 Z 3  látk složená látka l ž á z více í typů t ů atomů: t ů

i    wi  i i • wi – hmotnostní koncentrace

Absorpce rtg. záření Pb - hmotnostní absorpční koeficient

Rtg. záření • rentgenografie

  k 3 Z 3 

Rtg. záření • rentgenografie

  k 3 Z 3 

CT (X-ray computed tomography)

Radonova transformace • absorpce vzorku: f (x,y)



I  I 0 exp   f  x , y  ds



• celkové zeslabení signálu:

p r   ln I / I 0     f  x , y  ds x cos   y cos   r • Radonova transformace (sinogram) funkce f (x,y)

p r  

 

  f x , y  x cos   y cos   r  dxdy

  

x y

Radonova transformace • Radonova transformace (sinogram) funkce f (x,y)

p r  

 

  f x, y  x cos   y cos   r  dxdy

  

• inverzní Radonova transformace

1 f x, y   2

d g  dr

1  



 g x cos   y cos   d 0

p      r   d  

derivace Hilbertovyy transformace projekce p j p

x y

Radonova transformace

předmět

Radonova transformace (sinogram)

rekonstrukce (inverzní Radonova transformace)

CT (X-ray computed tomography) • tenké řezy 5 mm

CT – radiokontrastní látky • sloučeniny jódu ZI = 53 • neškodný pro lidské tělo • kontrastní zobrazení cév, žil, tepen

CT – radiokontrastní látky • BaSO4 ZBa = 56 • ve vodě nerozpustný bílý prášek • kontrastní zobrazení trávícího systému

CT – průmyslové využití • kónický svazek rtg. záření • rotující vzorek • nedestruktivní test

EBT – electron beam tomography • rtg. záření generuje na prstenci okolo pacienta svazek elektronů vychylovaný magnetickým polem • stacionární • vyšší rychlost skenu • zobrazení srdce

Zpětně odražené rtg. záření • detekce rtg. záření deflektovaného Comptonovým rozptylem • bezpečnostní skenery

XRF – X-ray fluorescence • charakteristické rtg. záření indukované rtg. nebo gama zářením • chemická analýza