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Neue Röntgendetektorsysteme für zerstörungsfreie Material- und Fertigungsprüfung sowie für Mikrostrukturuntersuchung"

Röntgenstrahlung wird schon seit langem in Verbindung mit bildgebenden Detektoren wird genutzt, um innere Strukturen von Lebewesen und Gegenständen sichtbar zu machen. Heutzutage sind die Anwendungen außerordentlich vielfältig und zahlreich. Sie reichen von einfachen Durchleuchtungsröntgenaufnahmen z.B. in normalen Arztpraxen oder bei Sicherheitskontrollen von Gepäckstücken über die Röntgentomographie mit dem Ziel, Feinstrukturen in mehrkomponentigen Werkstoffen sichtbar zu machen, bis hin zu dem weiten Feld der Röntgenstrukturanalyse auf der atomaren Längenskala an modernen Synchrotronstrahlungsquellen.

Die Arbeitsgruppe in Projektbereich 6 des ZESS (Prof. A.H. Walenta) hat sich in der Vergangenheit auf die Entwicklung neuer schnellerer und präzerer Röntgendetektoren konzentriert, die für Anwendung der Tiefendurchleuchtung von Gegenständen bestimmt sind. In jüngster Zeit wird an einem neuartigen Detektortyp gearbeitet, der für die hochpräzisen Röntgenstrukturanalyseexperimente an den heutzutage z.T. bereits zur Verfügung stehenden strahlungsintensiven Synchrotronquellen und den Synchrotrons der nächsten Generation eingesetzt werden soll.

Schwerpunkte sind:

• Röntgendetektoren für Tiefendurchleuchtung von Materie
• Neuer Detektortyp für Röntgenstrukturanalyse mit Synchrotronstrahlung

Themenüberblick

Röntgendetektoren für Tiefendurchleuchtung von Materie:
Das zu untersuchende Objekt wird in einen Röntgenstrahl gebracht. Je nach Dicke und Art des durchquerten Materials wird der Photonenfluß durch die Absorption von Photonen verschieden stark abgeschwächt. Auf einem hinter dem Objekt befindlichen Photonendetektor wird dadurch eine Art Schattenwurfbild erzeugt.

Soll nun die innere Struktur eines aus zwei oder mehreren verschiedenen Materialien zusammengesetzten Objektes auch hinsichtlich der Verteilung dieser Komponenten untersucht werden, müssen die tomographischen Messungen bei verschiedenen Photonenenergien durchgeführt werden. Üblicherweise werden solche Messungen zeitlich aufeinanderfolgend durchgeführt, wobei das Energiespektrum des Röntgenstrahls durch geeignete Filter geändert wird. Es jedoch weit vorteilhafter, die Tomogramme an einem polychromatischen Röntgenstrahl simultan aufzunehmen.

Im Rahmen eines von der EU geförderten Forschungsvorhaben (DUALETO =  Dual Energy Tomography) wurde ein Energie-dispersiver Hochdruck-Zeilendetektors mit Kathodenstreifenauslese (Fig.1) entwickelt, mit dem eine hohe Nachweiswahrscheinlichkeit und Ortsauflösung erreicht wird und Zeilenspektren für verschiedene Photonenergien simultan aufgenom-men werden können. In Abb. 1 sind Tomogramme eines Stromkabels, die aus den mit dem DUALETO Detektor genommenen Daten in zwei Energiefenstern rekonstruiert worden sind, gezeigt. Deutlich sind die Unterschiede in den beiden Tomogrammen zu sehen, die durch die material- und energieabhängige Absorption von Photonen bedingt sind. An der Prozedur einer vollständigen Entfaltung der Spektren wird zur Zeit noch gearbeitet.

Neuer Detektortyp für Röntgenstrukturanalyse mit Synchrotronstrahlung:
Dieses Projekt ist eine Fortsetzung von schon seit einigen Jahren betriebenen Arbeiten, bei denen es gelang, einen neuen Prototyp eines gasgefüllten Röntgendetektors zu entwickeln, der hohe Ratenverträglichkeit, hohes Orts- und Zeitaufösungsvermögen, Robustheit und kostengünstige Fertigungsmöglichkeiten in sich vereint.

Die ins Auge gefaßten Anwendungsgebiete sind das der Proteinkristallographie und der diffraktiven Kleinwinkelstreuung (SAXS), die bei den höchsten heute verfügbaren Strahlintensitäten an Synchrotrons durchgeführt werden müssen. Bei diesen Experimenten werden aus vielen in ihrer Intensität stark variierenden Reflexen die Struktur von Makromolekülen (z.B. Proteinen) oder Zellstrukturen im nm Bereich bestimmt. Dafür werden höchste Anforderungen an bildgebende Röntgendetektoren in Bezug auf Ortsauflösung und Bereich und Präzision der zu messenden Intensitäten (Photonraten pro Fläche) gestellt. Insbesondere wird eine hohe Zeitauflösung (Bildrate im kHz Bereich) angestrebt.

Mit dem neuen Micro-CAT Detektor, einer Weiterentwicklung des Mikrostreifen-Gasdetektors, der mit einer asynchronen 2-dimensional interpolierenden Auslesestruktur versehen ist, konnte ein Einzelphoton zählender Detektor verwirklicht werden, der auch bei den heutigen Hochratenexperimenten eingesetzt werden kann und im Prinzip alle oben genannten Anforderungen erfüllt.

Der existiernde Prototyp, der 1996 bereits zum ersten Mal am Synchrotron getestet worden ist (Abb.2) und derzeit bei weiteren Messungen eingesetzt wird, soll zu einem großflächigeren Detektor weiterentwickelt werden. Dabei sind insbesondere neue Konzepte zur online Datenreduktion zu realisieren, damit die hohe Datenrate, die der Detektor aufnehmen kann, ohne Totzeitverlust sinnvoll gespeichert und analysiert werden kann.

Das Anwendungspotential solcher Röntgendetektoren ist außerordentlich groß. Insbesondere hoch zeitauflösende Messungen, für die dieser Detektor besonders geeignet ist, sind zum Studium von biologischen und biochemischen Vorgängen von größter Bedeutung Angesichts der neuen Möglichkeiten, die sich hinsichtlich der Strahlqualität und -intensität an den modernen Synchrotrons bieten, ist die Entwicklung solcher neuen Detektoren sehr gefragt.

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