Bildgebung in der Röntgenfluoreszenzanalytik

Verfahren für Röntgenfarbaufnahmen

Ein Forschungsteam der Universität Göttingen hat ein neues Verfahren für Röntgenfarbaufnahmen entwickelt. Um nicht nur die chemischen Elemente einer Probe durch Röntgenfluoreszenzanalyse zu bestimmen, sondern auch deren räumliche Verteilung, muss bislang die genutzte Röntgenstrahlung fokussiert und die Probe aufwendig abgerastert werden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben nun einen Ansatz entwickelt, wie ein großflächiges Bild ganz ohne Fokussierung und Rasterung mit einer einzigen Belichtung aufgenommen werden kann. Das Verfahren wurde in der Fachzeitschrift Optica veröffentlicht.

Künstlerische Darstellung, die zeigt, wie ein Bild mit der neu entwickelten Methode erzeugt wird. Die fluoreszierenden Atome in der Probe (links) emittieren aufgrund der Röntgenanregung zwei Farben, Grün und Magenta. Das graue runde Objekt stellt eine Optik dar, die einen Schatten auf den Detektor wirft. Der Algorithmus erzeugt dann ein tatsächliches Bild mit zwei Farben, deren Intensität die Dichte der fluoreszierenden Atome in der Probe darstellt © Markus Osterhoff

Im Gegensatz zum sichtbaren Wellenlängenbereich gibt es für „härtere“ Strahlung wie Röntgen-, Neutronen- oder Gammastrahlung keine vergleichbar leistungsfähigen Linsen. Die Bestimmung der chemischen Elementzusammensetzung durch Röntgenfluoreszenz nutzt man unter anderem bei der Untersuchung von Gemälden und Kulturgütern, um Echtheit, Herkunft oder Herstellungstechnik zu bestimmen, oder bei der Analyse von Bodenproben oder Pflanzen im Umweltschutz. Auch die Qualität und Reinheit von Halbleiterbauelementen und Computerchips lässt sich mit der Röntgenfluoreszenzanalyse überprüfen.

Für ihren neuen Ansatz nutzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine vom Unternehmen "PN Sensor" in München entwickelte Röntgenfarbkamera und ein neuartiges abbildendes System, das im Wesentlichen aus einer speziell strukturierten und mit Gold beschichteten Platte zwischen Objekt und Detektor besteht, die einen Schattenwurf der Probe erzeugt. Das gemessene Intensitätsmuster in der Detektorebene gibt Aufschluss über die räumliche Verteilung der fluoreszierenden Atome in der Probe, die dann mit einem Computeralgorithmus entschlüsselt werden kann. Da die Platte im Gegensatz zu einer Röntgenlinse sehr nah an Objekt oder Detektor gebracht werden kann, wird das Verfahren praktikabel.

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Von links: Dr. Jakob Soltau, Prof. Dr. Tim Salditt und Paul Meyer in dem Forschungslabor. Zwischen Dr. Soltau und Professor Salditt ist die für die Experimente verwendete goldbeschichtete Platte zu sehen. © Markus Osterhoff

„Wir haben einen Algorithmus entwickelt, der es uns erlaubt, schnell und robust ein scharfes Bild zu errechnen, und zwar gleichzeitig für jede Röntgenfarbe“, erläutert Erstautor Dr. Jakob Soltau, Postdoktorand am Institut für Röntgenphysik der Universität Göttingen. Co-Autor Paul Meyer, Doktorand am selben Institut, ergänzt: „Die Optiken sind kaum mit normalen Linsen vergleichbar, sie wurden nach unseren Vorgaben von einem jungen Unternehmen in der Schweiz lithografisch gefertigt.“ Dieses auf Nanostrukturen spezialisierte Startup „XRNanotech“ wurde von Dr. Florian Döhring, einem Absolventen der Universität Göttingen, gegründet.

Forschungsgruppenleiter Prof. Dr. Tim Salditt erklärt abschließend: „Als Nächstes wollen wir den Ansatz zur dreidimensionalen Abbildung biologischer Proben erweitern, aber auch die Abbildung sogenannter inelastischer Streuung von Röntgen-, Neutronen oder Gammastrahlung in der Nuklearmedizin wäre hochinteressant.“

Originalveröffentlichung: Jakob Soltau et al. Full-field x-ray fluorescence imaging using a Fresnel zone plate coded aperture. Optica 2022. Doi: 10.1364/OPTICA.477809.

Quelle: George-August-Universität Göttingen

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