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Hochbrillante Röntgenstrahlenquellen für verbessertes Auflösungsvermögen und reduzierte Belastung

Röntgentechnologie hat die Charakterisierung aller Materialarten von Geweben über Industrieprodukte bis hin zu Arzneimitteln vorangetrieben. EU-finanzierte Wissenschaftler haben nun Röntgenstrahlenquellen mit unübertroffenen Eigenschaften entwickelt, darunter auch Portabilität.
Hochbrillante Röntgenstrahlenquellen für verbessertes Auflösungsvermögen und reduzierte Belastung
Bei herkömmlichen Röntgensystemen dient ein beheizter Halbleiterglühfaden als Kathode, die Elektronen emittiert, wenn sie auf hohe Temperaturen erwärmt wird (Edison-Richardson-Effekt). Eine hohe Spannung beschleunigt die Elektronen, wodurch die Röntgenstrahlung erzeugt wird. Glühelektrische Kathoden emittieren einen kontinuierlichen Elektronenstrom ohne Möglichkeit auf einen Pulsbetrieb. Außerdem verfügt die zufällige Elektronenquelle nur über eine begrenzte Brillanz. Wissenschaftler haben das EU-finanzierte Projekt "X-ray source based on field-emitting carbon nanotube cold cathode" (AXIS) ins Leben gerufen, um die Röntgentechnologie signifikant zu verbessern und somit auch die Wettbewerbsfähigkeit der kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) in der EU zu steigern.

Feldemission oder "kalte" Emission ist die Elektronenemission in einem großen elektrischen Feld als Folge des quantenmechanischen Tunneleffekts. Trotz ihres Potenzials zum Überwinden der Einschränkungen der glühelektrischen Emission hat sich die Anwendung der Feldemission als herausfordernd erwiesen, da keine hochleistungsfähigen Elektronenfeldemitter zur Verfügung stehen. Anders sieht es bei den vielversprechenden Feldemissions-Kohlenstoffnanoröhren aus (CNTs, carbon naotubes). Die Brillanz der CNTs befindet sich in einer Größenordnung, die alle anderen Elektronenquellen übersteigt, und CNTs können sowohl im Dauerbetrieb als auch im Pulsbetrieb eingesetzt werden. Eine höhere Brillanz ermöglicht ein höheres Auflösungsvermögen oder eine reduzierte Aufnahmezeit. Der Pulsbetrieb erlaubt die Synchronisation mit biologischen Vorgängen wie der Herzfrequenz oder der Atmung. Letztendlich sind die Systeme kleiner und verbrauchen weniger Energie, was leistungsstarke Röntgenstrahlenquellen für portable Anwendungen realistisch macht.

CNTs wurden erfolgreich eingesetzt, jedoch nur in zufälligen Konfigurationen ohne Kontrolle über die CNT-Größe oder -Orientierung. Durch die Fabrikation von Elektronenquellen auf Basis von gut ausgerichteten CNT-Arrays erzielten die Wissenschaftler von AXIS eine beispiellose Kontrolle über die Emissionseigenschaften. Anschließend entwickelten sie eine CNT-basierte Elektronenkanone oder auch E-Gun – ein System, das die CNT-Kathode mit einer Optik zur Fokussierung des Elektronenstrahls kombiniert. Die Technologie führte zur Fabrikation zwei verschiedener Röntgensysteme: ein tomografisches für biomedizinische Anwendungen und ein weiteres für Materialmetrologie.

Fortgeschrittene Röntgenstrahlungsquellen, die auf geordneten Arrays von Feldemissions-CNTs basieren, wurden im Rahmen des AXIS-Projekts entwickelt. Es wird erwartet, dass die technische Optimierung sowohl im Puls- als auch im Dauerbetrieb zu einer unübertroffenen Brillanz führen wird. Die Kommerzialisierung wird die portable Hochleistungs-Röntgentechnologie dorthin bringen, wo sie für industrielle, medizinische sowie ökologische Analysen und sogar Kulturerbe-Analysen benötigt wird.

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