Neue Technik erzeugt schnell und effizient farbige Röntgenbilder

Eine neue Technik erzeugt schnell und effizient farbige Röntgenbilder mit einem speziell strukturierten Gerät namens Fresnel-Zonenplatte (FZP). Die Technik könnte in der Nuklearmedizin und Radiologie sowie in der zerstörungsfreien industriellen Prüfung und Materialanalyse Anwendung finden.

Röntgenstrahlen werden häufig verwendet, um die chemische Zusammensetzung von Materialien zu bestimmen, dank des charakteristischen „Fingerabdrucks“ der Fluoreszenz, den verschiedene Substanzen abgeben, wenn sie Röntgenlicht ausgesetzt werden. Derzeit erfordert diese Bildgebungstechnik jedoch die Fokussierung der Röntgenstrahlen und das Scannen der gesamten Probe. Angesichts der Schwierigkeit, einen Röntgenstrahl auf kleine Bereiche zu fokussieren, insbesondere bei typischen Labor-Röntgenquellen, ist dies eine herausfordernde Aufgabe, die die Erstellung von Bildern zeitaufwändig und teuer macht.

Einzelbelichtung und kein Fokussieren und Scannen erforderlich

Die neue Methode, entwickelt von Jakob Soltau und Kollegen an der Institut für Röntgenphysik der Universität Göttingen, Deutschland, ermöglicht es, mit nur einer einzigen Aufnahme ein Bild von einem großen Probenbereich zu erhalten, ohne dass Fokussieren und Scannen erforderlich sind. Ihr Ansatz verwendet eine Röntgenfarbkamera und ein vergoldetes FZP, das zwischen dem abgebildeten Objekt und dem Detektor platziert wird. FZPs haben eine Struktur aus undurchsichtigen und transparenten Zonen, die oft verwendet werden, um Röntgenstrahlen zu fokussieren, aber in diesem Experiment interessierte die Forscher etwas anderes: den Schatten, den das FZP auf den Detektor wirft, wenn die Probe beleuchtet wird.

Durch die Messung des Intensitätsmusters, das nach dem Passieren des FZP den Detektor erreicht, gewannen die Forscher Informationen über die Verteilung von Atomen in der Probe, die bei zwei verschiedenen Wellenlängen fluoreszieren. Anschließend entschlüsselten sie diese Verteilung mithilfe eines Computeralgorithmus.

„Wir kennen das Set an Algorithmen, die dafür günstig eingesetzt werden können, sehr gut aus der Phase-Retrieval in der kohärenten Röntgenbildgebung“, erklärt Soltau. „Wir wenden dies auf die Röntgenfluoreszenz-Bildgebung mit der Röntgenfarbkamera in unserem Experiment an, um zwischen den unterschiedlichen Energien der detektierten Röntgenphotonen zu unterscheiden.“

Dank dieses Full-Field-Ansatzes reicht den Forschern zufolge nur eine Bildaufnahme aus, um die chemische Zusammensetzung einer Probe zu bestimmen. Während die Erfassungszeit derzeit in der Größenordnung von mehreren Stunden liegt, hoffen sie, diese in Zukunft zu reduzieren.

Potenzial zur Abbildung biologischer Gewebe

Das Team sagt, dass die neue Technik viele potenzielle Anwendungen hat. Dazu gehören Nuklearmedizin und Radiologie; zerstörungsfreie industrielle Prüfung; Materialanalyse; Bestimmung der Zusammensetzung von Chemikalien in Gemälden und Kulturgütern zur Überprüfung ihrer Echtheit; Analyse von Bodenproben oder Pflanzen; und Prüfung der Qualität und Reinheit von Halbleiterkomponenten und Computerchips. Prinzipiell könnte die Technik auch zur Abbildung inkohärenter Strahlungsquellen wie inelastischer Röntgen- (Compton-) und Neutronenstreuung oder Gammastrahlung eingesetzt werden, was für nuklearmedizinische Anwendungen nützlich wäre.

„Als Forschungsgruppe interessieren wir uns sehr für die dreidimensionale Bildgebung biologischer Gewebe“, sagt Soltau Physik-Welt. „Kombinieren tomographische Bildgebung, zum Beispiel mit einem Detektor, der den durchgelassenen Röntgenstrahl aufzeichnet, um eine Karte der Elektronendichte zu erhalten (eine Technik, die als Phasenkontrast-Ausbreitungsbildgebung bekannt ist), mit unserem neuartigen Vollfeld-Fluoreszenzbildgebungsansatz würde es uns ermöglichen, Strukturen und (lokale ) chemische Zusammensetzung der Probe in einem Scan.“

Röntgenmikroskopie schärft

In dieser ersten Demonstration der neuen Technik, die detailliert in Opticaerzielte das Göttinger Team eine räumliche Auflösung von etwa 35 Mikrometern und ein Sichtfeld von etwa 1 mm². Während die Anzahl der parallel abgebildeten Auflösungselemente relativ gering bleibt, könnte diese durch die Verwendung eines FZP mit kleineren Zonenbreiten oder durch die Vergrößerung der beleuchteten Probenfläche in Richtung größerer Sichtfelder erhöht werden. Eine weitere Herausforderung besteht darin, die Erfassungszeiten zu verkürzen, ohne das unerwünschte Hintergrundrauschen durch elastisch gestreute Strahlung zu erhöhen.

Die Forscher möchten ihre Technik nun mit Synchrotronstrahlung ausprobieren, die viel intensiver ist als das in den meisten Labors verfügbare Röntgenlicht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Synchrotronstrahlung aus hochenergetischen Strahlen geladener Teilchen besteht, die durch elektrische und magnetische Felder erzeugt werden, was ihr eine schmale Bandbreite verleiht, die eine höhere räumliche Auflösung und kürzere Erfassungszeiten ermöglichen sollte. Das Team hat Zeit auf gebucht DESYs Synchrotron-Beamline PETRA III im Juni zu diesem Zweck.