02.06.2022

Scharfe Röntgenbilder trotz fehlerhafter Linsen

Neue Methode für die Röntgenmikroskopie entwickelt.

Das Innere von Körpern und Objekten lässt sich durch Röntgen­strahlung in Detail ausleuchten und erkunden. Das funktioniert auch für mikroskopisch kleine Strukturen, wie sie in der Material­wissen­schaft oder der Biologie erforscht werden. Möchte man zum Beispiel den drei­dimen­sionalen Aufbau von Materialien, Organismen oder Geweben untersuchen, ohne die Probe zu zerschneiden, kann man die Röntgen­mikro­skopie nutzen. Leider ist die Leistungs­fähigkeit der Röntgen­mikro­skopie durch die Schwierig­keiten bei der Linsen­her­stellung limitiert.

Abb.: Die Wissen­schaftler ver­wen­deten eine Linse, die aus prä­zise...
Abb.: Die Wissen­schaftler ver­wen­deten eine Linse, die aus prä­zise an­ge­ord­neten kon­zen­tri­schen Schich­ten be­steht, um zwei Halb­leiter-Nano­drähte ab­zu­bilden. (Bild: M. Oster­hoff, GAU Göttingen)

Ein Team der Universität Göttingen hat jetzt gezeigt, dass sich trotz der Herstel­lungs­grenzen von Röntgen­linsen bei einer bestimmten experi­men­tellen Anordnung und nachge­schalteter numerischer Bild­rekon­struktion eine sehr viel höhere Bildqualität und Schärfe erreichen lassen als bislang bekannt: Ein Algorithmus kompensiert dabei die Defizite der Linsen

Die Wissenschaftler verwendeten eine Objektivlinse, die aus fein strukturierten Schichten von wenigen Atomlagen bestand und aus konzentrischen Ringen auf einem dünnen Draht abgeschieden wurde. Die Linse mit einem Durchmesser von weniger als einem Fünfzigstel Millimeter wurde dann im hoch­brillanten Röntgen­strahl am DESY in Hamburg zwischen dem abzubildenden Objekt und einer Röntgenkamera justiert. Auf der Kamera erhielten die Forscher drei unter­schied­liche Arten von Signalen, die zusammen die voll­ständigen Informationen über die Struktur des unbekannten Objektes lieferten, selbst wenn die Objekte die Röntgen­strahlung nur wenig oder gar nicht absorbierten.

Es musste nur noch ein geeigneter Algorithmus gefunden werden, mit dem die kodierte Information entschlüsselt und zu einem scharfen Bild rekonstruiert werden konnte. Für die Lösung war es entscheidend, die keineswegs perfekte Linse selbst genauestens zu vermessen und dabei ganz auf ideali­sierende Annahmen zu verzichten. In ihrer ersten Anwendung unter­suchten die Forscher Halbleiter-Nanodrähte, die als mögliche neue Materialien für die Photovoltaik von Interesse sind.

„Erst durch die Kombination aus Linsen und numerischen Bild­rekon­struktion erreichen wir die hohe Bildqualität“, erklärt Jakob Soltau von der Uni Göttingen. „Damit kompensieren wir die Tatsache, dass Röntgen­linsen mit der benötigten Feinstruktur und Qualität nicht hergestellt werden können“, ergänzt Markus Osterhoff. „Zwischen­zeitlich hatten sich viele Forscher daher schon von der Röntgen­mikro­skopie mit Linsen abgewendet und stattdessen versucht, die Linsen vollständig durch Algorithmen zu ersetzen. Durch Linsen und Algorithmen lässt sich nun mit unserem Ansatz das Beste von zwei Welten kombinieren“, schließt Tim Salditt.

Ein besonderer Vorteil der neuen Methode besteht darin, dass das Objekt nicht abgerastert werden muss und sich daher auch sehr schnelle mikro­skopische Prozesse in Materialien „filmen“ lassen. Solche Experimente sind als nächster Schritt am DESY und am europä­ischen Röntgen­laser in Hamburg geplant.

GAU Göttingen / RK

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