03.05.2022 - Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU)

Zerstörungsfreie 3D-Elementaranalyse

Forscher nutzen myonische Röntgenstrahlen, um die Elementzusammensetzung von Proben zu bestimmen, ohne sie zu beschädigen

Durch die Kombination von Technologien, die ursprünglich für Hochenergie-Teilchenbeschleuniger und astronomische Beobachtungen entwickelt wurden, können Forscher nun zum ersten Mal die elementare Zusammensetzung von Proben analysieren, ohne sie zu beschädigen, was für Forscher in anderen Bereichen wie der Archäologie nützlich sein könnte, berichtet eine neue Studie in Scientific Reports.

Myonen sind eines der vielen Elementarteilchen im Universum, die derzeit von Physikern als Myonenstrahlen in Experimenten mit Hochenergiebeschleunigern verwendet werden. Aber auch Forscher in anderen Bereichen interessieren sich für Myonen, da sie die elementare Zusammensetzung von wertvollen Proben, wie z. B. dem Inneren von Meteoriten, analysieren können.

Die Röntgenfluoreszenzspektroskopie ist in Bereichen wie der Archäologie und der Planetenforschung weit verbreitet, kann aber nur die Elementzusammensetzung von oberflächennahen Proben analysieren und leichte Elemente wie Kohlenstoff nicht genau quantifizieren.

Myonen haben einen Vorteil gegenüber den derzeitigen Methoden. Wenn ein negatives Myon von einem bestrahlten Material eingefangen wird, entsteht ein Myonenatom. Die von den neuen Myonenatomen emittierte Röntgenstrahlung hat eine hohe Energie und kann mit hoher Empfindlichkeit nachgewiesen werden, ohne von der Probe selbst absorbiert zu werden.

Indem sie die Energie der von Hochenergiebeschleunigern beschleunigten Myonen anpassen, konnten die Forscher Proben auf einer eindimensionalen Ebene analysieren.

Ein Forscherteam unter der Leitung von I-Huan Chiu vom Radioisotope Research Center der Universität Osaka und Kazuhiko Ninomiya, Assistenzprofessor Shin'ichiro Takeda vom Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, und Professor Yasuhiro Miyake von der High Energy Accelerator Research Organisation haben dies mit einem doppelseitigen Cadmiumtellurid-Streifendetektor (CdTe-DSD) kombiniert, der ursprünglich für die zweidimensionale Bildanalyse bei Messungen harter Röntgen- und γ-Strahlung im Weltraum konzipiert wurde, um eine Methode zu entwickeln, die es dem Benutzer ermöglicht, ein dreidimensionales Bild der elementaren Zusammensetzung einer Probe zu erstellen.

Um ihre zerstörungsfreie 3D-Elementaranalyse auf der Grundlage von Myonen-Röntgenstrahlung und einem CdTe-DSD zu testen, bauten die Forscher ihr Experiment an der D2-Muonen-Beamline des Muon Science Establishment (MUSE) in J-PARC auf, einer Hochintensitäts-Protonenbeschleunigeranlage nördlich von Tokio.

Der Aufbau umfasste die Vorbereitung von zwei kleinen und zwei größeren kugelförmigen Kunststoffkugeln, die während der Myonenbestrahlung in Schritten von jeweils 22,5 Grad gedreht wurden. Eine vollständige Drehung erzeugte insgesamt 16 Bilder, die vom CdTe-DSD aufgenommen wurden, und ein in der Medizin üblicher Algorithmus wurde verwendet, um ein 3D-Bild der Probe zu rekonstruieren.

Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass es zwei Arten von Kugeln mit unterschiedlichen Größen gab, und es konnte festgestellt werden, dass das Innere aus Kohlenstoff bestand.

Den Forschern zufolge stellt ihre Methode eine wichtige Verbesserung für die derzeitige Elementanalyse in verschiedenen Bereichen dar und kann für die Elementtiefenprofilierung archäologischer Proben verwendet werden.

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