Technologie

Bunte Röntgenstrahlung

16.10.2013 - Neuartige Röntgenfarbkamera zur Analyse seltener Elemente nimmt den Betrieb auf.

Eine einzigartige Röntgenfarbkamera geht heute im Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in den Routinebetrieb. Damit können die Forscher des zum HZDR gehörenden Helmholtz-Instituts Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF) künftig in sehr kurzer Zeit die Konzentrationen sehr fein verteilter Metalle, wie die Elemente der Seltenen Erden, in Erzmineralen bestimmen.

Röntgenfarbkamera High-Speed-PIXE

Abb.: Die Röntgenfarbkamera High-Speed-PIXE des Helmholtz-Instituts Freiberg für Ressourcentechnologie am HZDR (Bild: B. Zalesky)

„Wir wollen unsere Röntgenfarbkamera vor allem zur Analyse von Spurenelementen wie den Seltenerd-Elementen nutzen“, sagt Axel Renno, Leiter der Arbeitsgruppe Ionenstrahlanalytik am HIF. Hierzu gehören Neodym, welches man zur Herstellung stärkster Magnete in Windkraftanlagen braucht, oder Cer, das in Form von Cerdioxid für Katalysatoren, Sonnencremes oder Medizinpräparate eingesetzt wird.

Seltene Erden sind ein Schwerpunkt am Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie; die Forscher kümmern sich sowohl um die Gewinnung der Rohstoffe aus dem Erz als auch um das Recycling der wertvollen Ressourcen aus ausgedienten Produkten wie Energiesparlampen. Neben den Seltenerd-Elementen gibt es noch seltener vorkommende Stoffe, die sogenannten Ultraspurenelemente. Sie spielen eine wichtige Rolle, um die Prozesse bei der Bildung von Rohstofflagerstätten aufklären zu können. Die Analyse dieser Elemente soll ein weiterer Fokus der Messungen an der Röntgenfarbkamera sein.

Das Gerät hat einen Detektorchip wie eine normale Fotokamera; hinzu kommt eine Spezialoptik für die Röntgenstrahlung. Es analysiert die chemische sowie räumliche Zusammensetzung einer Probe. „Der Vorteil ist, dass wir Stoffe nun deutlich schneller analysieren können als mit ähnlichen Methoden“, so Renno. So könne sich die Untersuchung einer mineralischen Probe von einem Tag auf eine Stunde verringern. Das ist möglich, weil die Probe nicht nach und nach „abgetastet“, sondern auf einmal komplett beleuchtet und untersucht wird.

Die Röntgenfarbkamera wird mit Protonenstrahlung aus dem 6-MV-Ionenbeschleuniger des HZDR betrieben

Abb.: Die Röntgenfarbkamera wird mit Protonenstrahlung aus dem 6-MV-Ionenbeschleuniger des HZDR betrieben. (Bild: O. Killig)

Zuerst wird ein Protonenstrahl gleichmäßig auf eine Probe gelenkt. Wenn die Protonen auf die Probe treffen, entsteht charakteristische Röntgenstrahlung. Auf einem Bildausschnitt mit einer Seitenlänge von je 12 Millimetern werden dabei 70.000 Bildpunkte gleichzeitig erfasst. Ein optisches Bild entsteht durch eine Speziallinse für die Röntgenstrahlung: Dafür wurde eine Kapillaroptik aus hauchdünnen Glasröhrchen entwickelt; sie ordnet jeden Röntgenstrahl auf der Probe den Bildpunkten zu.

Die Röntgenfarbkamera am HZDR wurde durch das BMBF in der Fördermaßnahme „r3 – Strategische Metalle und Mineralien“ gefördert. Sie ist eine der wenigen Apparate weltweit, mit der man die räumliche Verteilung von Spurenelementen wie den Seltenerd-Elementen schnell untersuchen kann. Einzigartig ist allerdings, dass sie mit einem Protonenstrahl aus einem Ionenbeschleuniger, wie das HZDR ihn hat, betrieben wird. Die Kamera wurde speziell für diese Zwecke angepasst. „Für ihre Unterstützung und ihr Knowhow bedanken wir uns bei unseren Kollegen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung und des HZDR sowie bei den beteiligten Unternehmen: dem Institute for Scientific Instruments GmbH, der PN Sensor GmbH, der DREEBIT GmbH und der TSO Thalheim Spezialoptik GmbH“, so Renno.

Bisher wurden Kameras dieser Art an noch größeren Beschleunigeranlagen, nämlich Synchrotrons, betrieben. Das Helmholtz-Institut Freiberg (HIF) beschäftigt sich im Rahmen des BMBF-Projektes MEGA damit, die Technologie für die Bedingungen in Bergwerken und Aufbereitungsanlagen anzupassen.

HZDR / DE