Röntgen mit Protonen
Darmstädter Protonenmikroskop PRIOR geht in praktische Erprobung.
Am Ringbeschleuniger der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt wurde im April 2014 erstmals eine Anlage zur Mikroskopie mit Protonen in Betrieb genommen. Ähnlich wie Röntgenstrahlen lassen sich auch Protonen dazu nutzen, Objekte zu durchleuchten und damit Bilder zu erzeugen. Sie können sogar heiße, dichte Materie durchdringen, die sich mit Licht oder Röntgenstrahlen nicht untersuchen lässt. In Zukunft soll die Technologie an der Beschleunigeranlage FAIR genutzt werden.
Abb.: Die Armbanduhr (links) wurde mit Protonen durchleuchtet. Das erzeugte Bild (rechts) zeigt deutlich den Aufbau der Uhr mit der Batterie und dem Quarz-Kristall. Auch die Zeiger sind erkennbar. (Bild: PRIOR / GSI)
Forscher einer internationalen Kollaboration der GSI, der Technischen Universität Darmstadt, des Los Alamos National Laboratory (LANL) und des Instituts für Theoretische und Experimentelle Physik (ITEP) in Moskau haben das Protonenmikroskop PRIOR (Proton Microscope for FAIR) gemeinsam aufgebaut. Für die ersten Experimente verwendeten sie einen Protonenstrahl, der mit der GSI-Beschleunigeranlage auf eine Energie von 4,5 Gigaelektronenvolt beschleunigt wurde – das entspricht etwa 98 Prozent Lichtgeschwindigkeit. Eine spezielle Anordnung aus vier Quadrupolmagneten diente als Optik. So durchleuchteten die Wissenschaftler unterschiedliche Gegenstände wie verschieden dicke Drähte oder eine Armbanduhr aus komplexen Einzelteilen.
Mit diesem Messaufbau gelang es, Objekte und Objektstrukturen bis zu einer Größe von vierzig Mikrometern aufzulösen. Damit erreichte die Anlage PRIOR an der GSI bereits bei der Inbetriebnahme vergleichbare Auflösungen wie die besten bestehenden Anlagen in den USA oder Russland. Die Forscher wollen die Auflösung in weiteren Experimenten dieses Jahr auf bis zu zehn Mikrometer verbessern. Ein weiteres Ziel ist die Aufzeichnung von Bildsequenzen von sich bewegenden Objekten. Beispielsweise sollen im Juli dieses Jahres dünne Drähte durch eine starke Stromentladung explosionsartig verdampft und diese sogenannte Plasmaexpansion mit dem Protonenstrahl untersucht werden.
Abb.: Der Mikroskopie-Aufbau PRIOR am GSI-Beschleuniger durchleuchtet Objekte mit Protonen. (Bild: D. Varentsov, GSI)
Protonen durchdringen heiße, dichte Materie, die auch als Plasma bezeichnet wird. Ihr gilt das eigentliche Interesse der Forscher, denn man kann sie in Sternen oder Gasplaneten wie dem Jupiter finden. Im Labor sind solche Materiezustände kurzzeitig beispielsweise mit Lasern oder starken elektrischen Entladungen erzeugbar. Da Protonen im Gegensatz zu Strahlungsarten wie Licht oder Röntgenstrahlung diese Materie durchdringen können, bietet das Protonenmikroskop PRIOR einzigartige Untersuchungsmöglichkeiten.
„Neben der Erforschung der Vorgänge im Weltraum hat die Technik auch ganz praktische Anwendungen“, erklärt Dmitry Varentsov aus der GSI-Abteilung „Plasmaphysik-Detektoren“. „Man könnte beispielsweise laufende Motoren durchleuchten oder sogar Diagnostik und Therapie von Tumoren damit machen. Alle diese Ansätze möchten wir verfolgen.“ In Vorläuferexperimenten zur Krebsdiagnostik und -therapie mit Protonen am Aufbau in Los Alamos war es den Forschern bereits im Jahr 2013 gelungen, ein Protonenbild einer Maus zu erstellen.
Eine wichtige Rolle wird die Protonenmikroskopie auch an der Beschleunigeranlage FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) spielen, die gerade in internationaler Zusammenarbeit gebaut und an die bestehende GSI Beschleunigeranlage angeschlossen wird. Dort werden noch energiereichere Protonen zur Verfügung stehen und die Experimentiermöglichkeiten für PRIOR erweitern. Nach der Fertigstellung von FAIR soll das Protonenmikroskop dorthin umziehen.
GSI / DE
