18.06.2014 - GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Bilder machen mit Protonen

Erste Experimente mit dem Protonenmikroskop bei GSI

Am Ringbeschleuniger der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt wurde im April 2014 erstmals eine Anlage zur Mikroskopie mit Protonen in Betrieb genommen. Protonen sind neben den Neutronen die Bausteine, aus denen Atomkerne aufgebaut sind. Ähnlich wie Röntgenstrahlen können auch Protonen dazu genutzt werden, Objekte zu durchleuchten und damit Bilder zu erzeugen. Sie können sogar heiße, dichte Materie durchdringen, die mit Licht oder Röntgenstrahlen nicht untersucht werden kann. In Zukunft soll die Technologie an der Beschleunigeranlage FAIR genutzt werden.

Forscher einer internationalen Kollaboration der GSI, der Technischen Universität Darmstadt, des Los Alamos National Laboratory (LANL), Los Alamos, USA, und des Instituts für Theoretische und Experimentelle Physik (ITEP), Moskau, Russland 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, ähnlich den Glaslinsen in einem herkömmlichen Mikroskop. Sie fokussierte den Protonenstrahl, um das im Strahl befindliche Objekt vergrößert abzubilden. 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 40 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.

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 Dr. 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 Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

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