Seit einigen Jahren lassen sich hochbrillante Röntgenstrahlen mit ringförmigen Teilchenbeschleunigern (Synchrotronquellen) erzeugen. Diese haben aber bisher einen Durchmesser von mehreren hundert Metern und kosten einige Milliarden Euro. Seit 29. Oktober können Wissenschaftler jetzt allerdings das weltweit erste Mini-Synchrotron für hochbrillante Röntgenstrahlung nutzen. Die „Munich Compact Light Source“ (MuCLS) ist Teil des neuen „Center for Advanced Laser Applications“ (CALA), einem Gemeinschaftsprojekt der TUM und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU).

Neue Technik: Kollision von Elektronen und Laser
Die Firma Lyncean Technologies aus Kalifornien, die dieses Mini-Synchrotron entwickelt hat, setzte dabei eine besondere Technik ein. Große Ringbeschleuniger erzeugen Röntgenstrahlen, indem energiereiche Elektronen durch Magnete abgelenkt werden. Die hohe Energie erhalten sie durch extreme Beschleunigung, wofür die großen Ringsysteme notwendig sind.

Das neue Synchrotron nutzt eine Technik, bei der Röntgenstrahlen entstehen, wenn Laserlicht auf schnelle Elektronen trifft – in einem Raumgebiet, das halb so dünn ist wie ein menschliches Haar. Der große Vorteil: Hierfür können die Elektronen sehr viel langsamer sein. Deshalb können sie auch in einem kleinen Ringbeschleuniger von weniger als 5 m Umfang gespeichert werden, während dazu ein Synchrotron einen Umfang von fast tausend Metern benötigt. „Früher mussten wir uns lange vorher bei den großen Synchrotron-Systemen anmelden, wenn wir ein Experiment machen wollten. Jetzt können wir mit einem eigenen Gerät in unseren Laboren arbeiten – das bringt uns in unseren Forschungsarbeiten sehr viel schneller voran“, erläutert Professor Franz Pfeiffer, Lehrstuhl für Biomedizinische Physik.

Intensiver, variabler und mit besserer Auflösung
Wissenschaftler und Ärzte setzen Röntgenstrahlung auch 120 Jahre nach ihrer Entdeckung standardmäßig für diagnostische Zwecke ein. Deshalb ist es ein großes Ziel, die Strahlen qualitativ hochwertiger und damit die Diagnosen genauer zu machen. So könnten zum Beispiel auch Weichteile wie Gewebe besser abgebildet und schon kleinste Tumore erkannt werden.

Das neue System hat neben der geringen Größe noch mehr Vorteile im Vergleich zu klassischen Röntgenröhren: die Röntgenstrahlen sind extrem hell und intensiv. Die Energie der Strahlen lässt sich sehr genau steuern, so dass sie zum Beispiel für unterschiedliche Gewebetypen einsetzbar sind. Zudem ermöglichen sie eine sehr viel bessere räumliche Auflösung, weil der Entstehungsort des Strahls durch die gezielte Kollision weniger diffus ist.

„Mit der brillanten Strahlung lassen sich einzelne Materialien besser unterscheiden, wodurch wir in Zukunft schon sehr viel kleinere Tumore im Gewebe erkennen können. Unser Forschungsspektrum wird aber auch die Vermessung von Knocheneigenschaften bei Osteoporose oder die Bestimmung veränderter Lungenbläschengröße bei diversen Lungenkrankheiten umfassen“, so Dr. Klaus Achterhold aus dem MuCLS-Team.

Die Wissenschaftler werden das Gerät erstmal vor allem für vorklinische Forschung verwenden, indem sie Gewebeproben von Patienten untersuchen. Außerdem kombinieren sie die neue Röntgenquelle mit anderen Systemen, wie dem Phasenkontrast. Die neuartige Röntgenphasenkontrast-Technik hat die Gruppe von Franz Pfeiffer führend mitentwickelt und verfeinert.

Mit dem neuen Gerät an der TUM sollen vor allem biomedizinische Fragestellungen zu Tumorerkrankungen, Osteoporose, Lungenerkrankungen und Arteriosklerose erforscht werden.