Protonen machen Bilder

  • 13. June 2014

Erste Experimente mit dem Protonenmikroskop starteten im April am Ringbeschleuniger der GSI.

Das GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt hat im April 2014 an seinem Ringbeschleuniger erstmals eine Anlage zur Mikroskopie mit Protonen in Betrieb genommen. Ähnlich wie Röntgenstrahlen können auch Protonen dazu dienen, Objekte zu durchleuchten und damit Bilder zu erzeugen. Sie können sogar heiße, dichte Materie durchdringen, die mit Licht oder Röntgenstrahlen nicht untersucht werden kann. Künftig soll die Beschleunigeranlage FAIR die Technologie nutzen.

Der Mikroskopie-Aufbau PRIOR am GSI-Beschleuniger durchleuchtet Objekte mit Protonen.

Abb.: Der Mikroskopie-Aufbau PRIOR am GSI-Beschleuniger durchleuchtet Objekte mit Protonen. (Bild: D. Varentsov, GSI)

Forscher einer internationalen Kollaboration der GSI, der TU Darmstadt, des Los Alamos National Laboratory und des Instituts für Theoretische und Experimentelle Physik, Moskau, haben das Protonenmikroskop PRIOR (Proton Microscope for FAIR) gemeinsam aufgebaut. Für die ersten Experimente verwendeten sie einen Protonenstrahl, den die GSI-Beschleunigeranlage auf eine Energie von 4,5 Gigaelektronenvolt beschleunigte. Eine spezielle Anordnung aus vier Quadrupolmagneten diente als Optik. 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.

Mit diesem Messaufbau gelang es Objekte und Objektstrukturen bis zu einer Größe von vierzig Mikrometern aufzulösen. Damit erreichte PRIOR 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 Plasmaexpansion mit dem Protonenstrahl untersucht werden.

Die Armbanduhr (links) wurde mit Protonen durchleuchtet.

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: 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 spielt die Protonenmikroskopie auch an der Beschleunigeranlage FAIR, die gerade in internationaler Zusammenarbeit gebaut und an die bestehende GSI Beschleunigeranlage angeschlossen wird. Dort stehen noch energiereichere Protonen zur Verfügung, was die Experimentiermöglichkeiten für PRIOR erweitert. Nach der Fertigstellung von FAIR soll das Protonenmikroskop dorthin umziehen.

GSI / CT

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