Virtuelle Linse verbessert Röntgenmikroskopie
Röntgenstrahlen ermöglichen einzigartige Einblicke in das Innere von Materialien, Gewebe und Zellen. Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI haben eine neue Methode entwickelt, dank der die Röntgenbilder von Materialien noch besser werden: Die Auflösung ist höher und erlaubt präzisere Rückschlüsse auf Materialeigenschaften.
Die Forschenden bewegten dazu eine optische Linse und nahmen dabei etliche Einzelbilder auf, aus denen sie mit Hilfe von Computeralgorithmen die eigentliche Aufnahme errechneten. Damit haben sie erstmalig das Prinzip der sogenannten Fourier-Ptychografie auf Messungen mit Röntgenlicht übertragen. Die Ergebnisse der Arbeit an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS sind im Fachmagazin Science Advances veröffentlicht.
Mit Röntgenmikroskopen blicken Forschende am PSI in Computerchips, Katalysatoren, Knochenstückchen oder Hirngewebe. Die kurze Wellenlänge des Röntgenlichts macht Details sichtbar, die eine Million Mal kleiner als ein Sandkorn sind – also Strukturen im Nanometerbereich (millionstel Millimeter). Wie bei einem normalen Mikroskop trifft das Licht auf die Probe und wird von ihr abgelenkt. Eine Linse sammelt dieses gestreute Licht und erzeugt ein vergrössertes Bild auf der Kamera. Allerdings streuen winzige Strukturen das Licht in sehr grossen Winkeln. Will man sie im Bild auflösen, braucht es entsprechend eine grosse Linse. «Doch es ist äusserst schwierig, solch grosse Linsen herzustellen», sagt Klaus Wakonig, Physiker am PSI: «Im sichtbaren Bereich gibt es Linsen, die sehr grosse Streuwinkel einfangen können. Im Röntgenbereich hingegen ist dies aufgrund der schwachen Wechselwirkung mit dem Material der Linse komplizierter. Infolgedessen können meist nur sehr kleine Winkel eingefangen werden oder die Linsen sind sehr ineffizient.»
Die neue, von Wakonig und seinen Kollegen entwickelte Methode umgeht dieses Problem. «Das Ergebnis ist so, als ob wir mit einer grossen Linse gemessen hätten», erklärt der Forscher. Das PSI-Team verwendet eine kleine, aber effiziente Linse, wie sie üblicherweise in der Röntgenmikroskopie eingesetzt wird, und verschiebt diese über einen Bereich, den eine ideale Linse abdecken würde. Somit entsteht virtuell eine grosse Linse. «In der Praxis gehen wir mit der Linse zu verschiedenen Punkten und nehmen dort jeweils ein Bild auf», erklärt Wakonig. «Dann verwenden wir Computeralgorithmen, um alle Bilder zu verbinden und so eine hochaufgelöste Aufnahme zu erzeugen.»
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