SGA1-2_04

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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
0D
Proportionalzählrohr
Festkörperdetektor
Szintillationszähler
1D
linearer
ortsempfindlicher
Detektor
Photodiodenfeld
2D
Vieldrahtdetektor
CCD
Image Plate,
Phosphorschirme
chemisch
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
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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 Ka (1.542 Å): E ≤ 300eV
 Müssen beim Betrieb gekühlt werden (thermisches
Rauschen)
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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
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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
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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
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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:
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
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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
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Detektoren für Röntgenstrahlung
2D Detektoren – Imaging plate
Energie der Röntgenphotonen wird in einer
phosphorhaltigen Schicht gespeichert und mit
Laserstrahl gelesen
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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
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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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