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TUM Kleinster Teilchenbeschleuniger der Welt erzeugt hochbrillante Röntgenstrahlen

| Redakteur: Peter Reinhardt

Schon seit einigen Jahren lassen sich brillante Röntgenstrahlen mit ringförmigen Teilchenbeschleunigern erzeugen. Das Problem: Die dafür erforderlichen Anlagen haben einen Durchmesser von fast tausend Meter. Entsprechend teuer sind Experimente. An der TU München ist seit kurzem eine Anlage mit nur noch fünf Metern Durchmesser in Betrieb.

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Behängt mit bayuvarischen MuCLS-Lebkuchenherzen nehmen Prof. Axel Haase, Prof. Franz Pfeiffer und TU-Vizepräsident Prof. Thomas Hoffmann (v.l.n.r.) den kompakten Teilchenbeschleuniger für hochbrillante Röntgenstrahlen am Zentralinstitut für Medizintechnik der TUM in Garching in Betrieb.
Behängt mit bayuvarischen MuCLS-Lebkuchenherzen nehmen Prof. Axel Haase, Prof. Franz Pfeiffer und TU-Vizepräsident Prof. Thomas Hoffmann (v.l.n.r.) den kompakten Teilchenbeschleuniger für hochbrillante Röntgenstrahlen am Zentralinstitut für Medizintechnik der TUM in Garching in Betrieb.
(Bild: TU München/Andreas Heddergott)

Seit einigen Jahren lassen sich hoch brillante Röntgenstrahlen mit ringförmigen Teilchenbeschleunigern erzeugen – sogenannten Synchrotronquellen. Diese haben aber bisher einen Durchmesser von mehreren hundert Metern und kosten einige Milliarden Euro. An der Technischen Universität München konnte nun das weltweit erste Mini-Synchrotron eingeweiht werden, mit dem hoch brillante Röntgenstrahlen auf einer Fläche von nur 5 x 3 m erzeugt werden können. Mit dem neuen Gerät sollen vor allem biomedizinische Fragestellungen zu Tumorerkrankungen, Osteoporose, Lungenerkrankungen und Arteriosklerose erforscht werden.

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Die „Munich Compact Light Source“ (MuCLS) ist Teil des neuen „Center for Advanced Laser Applications“ (CALA), eines Gemeinschaftsprojekts der TUM und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU). Ziel ist es, die Qualität der Strahlen zu erhöhen und damit genauere Diagnosen zu ermöglichen. So könnten zum Beispiel auch Weichteile wie Gewebe besser abgebildet und schon kleinste Tumore erkannt werden. Ein Team der Technischen Universität München (TUM) unter der Leitung von Prof. Franz Pfeiffer, Lehrstuhl für Biomedizinische Physik, entwickelt deshalb schon seit Langem neue Röntgentechniken.

Die Firma Lyncean Technologies aus Kalifornien, die dieses Mini-Synchrotron entwickelt hat, setzte dabei eine besondere Technik ein. Große Ringbeschleuniger erzeugen Röntgenstrahlen, indem energiereiche Elektronen durch Magnete abgelenkt werden. Die hohe Energie erhalten sie durch extreme Beschleunigung, wofür die großen Ringsysteme notwendig sind.

Extreme Beschleunigung sorgt für hohe Energie der Röntgenstrahlen

Das neue Synchrotron nutzt eine Technik, bei der Röntgenstrahlen entstehen, wenn Laserlicht auf schnelle Elektronen trifft – in einem Raumgebiet, das halb so dünn ist wie ein menschliches Haar. Der große Vorteil: hierfür können die Elektronen sehr viel langsamer sein. Deshalb können sie auch in einem kleinen Ringbeschleuniger von weniger als fünf Meter Umfang gespeichert werden, während dazu ein Synchrotron einen Umfang von fast 1.000 m benötigt. „Früher mussten wir uns für ein Experiment lange vorher bei den großen Synchrotron-Systemen anmelden. Jetzt können wir mit einem eigenen Gerät in unseren Laboren arbeiten – das bringt uns in unseren Forschungsarbeiten sehr viel schneller voran“, so Pfeiffer.

Das neue System hat neben der geringen Größe noch mehr Vorteile im Vergleich zu klassischen Röntgenröhren: Die Röntgenstrahlen sind extrem hell und intensiv. Die Energie der Strahlen lässt sich sehr genau steuern, so dass sie zum Beispiel für unterschiedliche Gewebetypen einsetzbar sind. Zudem ermöglichen sie eine sehr viel bessere räumliche Auflösung, weil der Entstehungsort des Strahls durch die gezielte Kollision weniger diffus ist.

„Mit der brillanten Strahlung lassen sich einzelne Materialien besser unterscheiden, wodurch wir künftig sehr viel kleinere Tumore im Gewebe erkennen können. Unser Forschungsspektrum wird aber auch die Vermessung von Knocheneigenschaften bei Osteoporose oder die Bestimmung veränderter Lungenbläschengröße bei Lungenkrankheiten umfassen“, ergänzt Dr. Klaus Achterhold aus dem MuCLS-Team.

Die Wissenschaftler werden das Gerät zunächst vor allem für die vorklinische Forschung nutzen und Gewebeproben von Patienten untersuchen. Zudem kombinieren sie die neue Röntgenquelle mit anderen Systemen, wie dem Phasenkontrast, dessen Technik die Pfeiffer-Gruppe führend mitentwickelt und verfeinert hat.

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