Neue hochmoderne Röntgenquelle auf kleinem Raum

Weltweit erster Mini-Teilchenbeschleuniger für hochbrillante Röntgenstrahlen an der TUM

2015-10-29 – Nachrichten aus dem Physik-Department

Seit einigen Jahren lassen sich hoch brillante Röntgenstrahlen mit ringförmigen Teilchenbeschleunigern (Synchrotronquellen) erzeugen. Diese haben aber bisher einen Durchmesser von mehreren hundert Metern und kosten einige Milliarden Euro. An der Technischen Universität München ist heute das weltweit erste Mini-Synchrotron eingeweiht worden, mit dem hoch brillante Röntgenstrahlen auf einer Fläche von nur 5 x 3 m erzeugt werden können. Mit dem neuen Gerät sollen vor allem biomedizinische Fragestellungen zu Tumorerkrankungen, Osteoporose, Lungenerkrankungen und Arteriosklerose erforscht werden.

Mini-Synchrotron "Munich Compact Light Source"
Der neue Mini-Teilchenbeschleuniger “Munich Compact Light Source” steht in Garching am Zentralinstitut für Medizintechnik (IMETUM). Photo: K. Achterhold / TUM

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. Ein Team der Technischen Universität München (TUM) unter der Leitung von Prof. Franz Pfeiffer, Lehrstuhl für Biomedizinische Physik, entwickelt deshalb schon seit Langem neue Röntgentechniken.

Seit 29. Oktober können die Wissenschaftler jetzt das weltweit erste Mini-Synchrotron für hoch brillante Röntgenstrahlung in ihrem Institut 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

mini synchrotron "Munich Compact Light Source"
Im Gegensatz zu den bislang üblichen Synchrotronquellen für brilliante Röntgenstrahlen passt MuCLS in ein Labor normaler Größe. TUM Vizepräsident Prof. Thomas Hoffmann, Prof. Franz Pfeiffer und Prof. Axel Haase (v.l.n.r.) bei der Eröffnung. Photo: Andreas Heddergott / TUM

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 Meter 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“, so Pfeiffer.

Intensiver, variabler und mit besserer Auflösung

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.

Redaktion
Dr. Vera Siegler, Dr. Johannes Wiedersich

Kontakt

Dr. Klaus Achterhold
Technische Universität München
James-Franck-Str. 1
85748 Garching
Tel.: +49 89 289-12559

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