Revolution in der Bildgebung mit Neutronen

Ein internationales Forschungsteam hat an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der Technischen Universität München (TUM) eine neue Technik für bildgebende Verfahren entwickelt. Es wird in Zukunft nicht nur um ein Vielfaches besser aufgelöste Messungen mit Neutronen ermöglichen, sondern könnte auch die Strahlenbelastung bei Röntgenaufnahmen verringern.

Wissenschaftler Dr. Adrian Losko an der Neutronenradiographieanlage NECTAR. © Bernhard Ludewig / FRM II, TUM
Kamera mit Bildverstärker und Zoom-Objektiv. Das pinke Kabel schickt bis zu 80 Millionen aktivierter Pixel pro Sekunde zur Datenauswertung an einen Hochleistungs-PC. © Bernhard Ludewig / FRM II, TUM

 

Auch moderne Kameras setzen immer noch auf das gleiche Prinzip wie vor 200 Jahren: Statt eines Films wird heute ein Bildsensor für eine bestimmte Zeit belichtet, um ein Bild aufzunehmen. Allerdings wird dabei auch das Rauschen des Sensors mit aufgezeichnet. Bei längeren Belichtungszeiten stellt das eine erhebliche Störungsquelle dar.

Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus der Schweiz, Frankreich, den Niederlanden und den USA haben Dr. Adrian Losko sowie weitere Kolleginnen und Kollegen der TUM am MLZ nun ein neues bildgebendes Verfahren entwickelt, das einzelne Photonen zeit- und ortsaufgelöst misst. Neutronen können damit von Rauschen getrennt werden, und das störende Rauschen lässt sich so stark reduzieren.

„Mit unserem neuen Detektor weisen wir jedes einzelne Lichtteilchen nach und umgehen dadurch viele physikalische Grenzen klassischer Kameras“, sagt Dr. Adrian Losko, Instrumentwissenschaftler an der Neutronenradiographieanlage NECTAR des Heinz Maier-Leibnitz Zentrums (MLZ) an der TUM.

Messung einzelner Lichtteilchen

Typischerweise setzen die Forscherinnen und Forscher in der Neutronen-Radiographie bei ihren Messungen Szintillatoren ein, um Neutronen zu detektieren und so zum Beispiel versteinerte Dinosaurereier zu durchleuchten. Wird ein Neutron vom Szintillator-Material absorbiert, werden Photonen erzeugt, Lichtteilchen, die gemessen werden können.

Bei allen bisherigen Kameras wird das Licht während der gesamten Belichtungszeit gesammelt, dadurch entsteht, abhängig von der Dicke des Szintillators, eine Unschärfe. Das neue Konzept des Forschungsteams hingegen weist jedes einzelne der Lichtteilchen nach, die durch ein Neutron erzeugt wurde.

„Voraussetzung dafür war eine neue Chiptechnologie sowie Hard- und Software mit Rechengeschwindigkeiten, die eine Auswertung in Echtzeit ermöglichen. So können wir jetzt Neutron für Neutron ein Bild zusammensetzen“, erklärt Losko. Die Neutronenforschung bietet hier ein ideales Test- und Anwendungsgebiet.

Statt langer Belichtungszeit exakt messen, was passiert

Da die Absorption eines Neutrons im Detektor mehrere Lichtteilchen erzeugt, kann das neue System durch eine Koinzidenzmessung mehrerer Lichtteilchen einzelne Neutronen nachweisen. „Damit kommen wir weg vom klassischen Modell der Belichtungszeit und messen nur die Ereignisse, die stattgefunden haben.“

Insgesamt stellt das neue Konzept alle bisher auf dem Markt existierenden Technologien in den Schatten, denn es ermöglicht jetzt schon eine dreimal bessere örtliche Auflösung und ein mehr als siebenmal geringeres Rauschen. „Die Limitierung durch die Dicke des Szintillators ist stark reduziert. Dies ermöglicht eine höhere Effizienz für hochauflösende Messungen“, so Losko. Auch das Nachleuchten von Szintillatoren, das ein sogenanntes Ghost-Image erzeugt, fällt weg.

„Viele Instrumente an der Forschungs-Neutronenquelle könnten von unserem neuen Konzept profitieren“, so Losko. Als Beispiel nennt er das Instrument FaNGaS (Fast Neutron-induced Gamma-ray Spectrometry): „Dadurch, dass wir genau wissen, wann ein Neutron ankommt, kann der Zeitbereich, in dem wir das Gamma-Teilchen messen, auf eine millionstel Sekunde verringert werden.“ Das würde das Untergrund-Rauschen um den Faktor einer Million reduzieren.

Geringere Strahlenbelastung und mehr Details beim Röntgen

Auch in der Medizin könnte der neue Detektor zum Einsatz kommen. Bei der Röntgen-Aufnahme eines Knochenbruchs würden feine Strukturen, wie Knochen-Haarrisse, besser erkennbar und gleichzeitig die Strahlenbelastung für den Patienten minimiert.

In der Strahlentherapie ließe sich direkt und ortsspezifisch nachvollziehen, wie viele Neutronen und Gamma-Teilchen ein Patient aufgenommen hat – das ist auch spannend für die medizinische Bestrahlungsanlage MEDAPP am MLZ, in der Tumore direkt bestrahlt werden.

„Unser Verfahren wird in der wissenschaftlichen Welt definitiv die Detektoren verändern“, so Losko. Und möglicherweise werden ähnliche Prinzipien irgendwann auch in normalen Kameras für den Privatgebrauch Einzug halten. Aufnahmen bei Dunkelheit würden sich dadurch stark verbessern. Außerdem könnten Fotografen die Belichtungszeit und die Auflösung auch nach der Aufnahme noch anpassen. Das Rauschen von Kameras ließe sich praktisch eliminieren.

 

Originalpublikation:

Adrian Losko, Yiyong Han, Burkhard Schillinger, Aureliano Tartaglione, Morgano, Markus M. Strobl, Jingming Long, Anton Tremsin, Michael Schulz. New Perspectives for Neutron Imaging through Advanced Event-Mode Data Acquisition. Sci Rep. 11, Article number: 21360 (2021) – DOI:  10.1038/s41598-021-00822-5

 

Weitere Informationen:

Die Forschungsarbeit wurde unter der Projektnummer 05K19WO2 gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).

Außer den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) an der Technischen Universität München waren Forscherinnen und Forscher des Paul Scherrer Institus in Villingen, der Amsterdam Scientific Instruments B.V. und des Space Sciences Laboratory der University of California in Berkely an dem Projekt beteiligt

 

Kontakt:

Dr. Adrian Losko
Technische Universität München

Forschungs-Neutronenquelle
Heinz Maier-Leibnitz (FRM II)

Tel: +49 89 / 289-14756

Email: Adrian.Losko@frm2.tum.de