Pressemitteilung der Universität Bonn vom 21.12.2009

Bonner Physiker entwickeln Sensorchips, die hohe Kontraste bewältigen und dennoch wenig rauschen

Physiker der Universität Bonn haben in Zusammenarbeit mit der Firma Philips einen neuartigen Röntgendetektor entwickelt. Er kann sehr hohe Kontraste bewältigen und rauscht dabei deutlich weniger als bislang gebräuchliche Detektoren. Außerdem erlaubt der Sensor die farbige Darstellung unterschiedlicher Gewebetypen durch eine spezielle Messtechnik. Die Bonner Forscher entwickeln normalerweise Halbleiterdetektoren für Experimente der Elementarteilchenphysik. Dazu zählt beispielsweise das ATLAS-Experiment am Forschungszentrum CERN in Genf, in dem Physiker die Bedingungen kurz nach dem Urknall nachstellen. Der neue Röntgendetektor ist quasi ein „Abfallprodukt“ der Grundlagenforschung.

Ähnlich wie digitale Fotoapparate bannen heutige Röntgengeräte ihre Aufnahmen nicht mehr auf Film, sondern zeichnen sie digital auf. Dazu arbeiten sie mit Detektoren, die ähnlich wie die Pixelsensoren in Digitalkameras funktionieren. Mit einem Unterschied: Sie sind nicht für sichtbares Licht, sondern für Röntgenstrahlung empfindlich.

Strahlung besteht aus vielen einzelnen „Lichtpaketen“, den so genannten Quanten, die sich nicht weiter teilen lassen. In einem Halbleiterdetektor bewirkt jedes Röntgenquant die Freisetzung von Elektronen. Je mehr Quanten auftreffen, desto größer ist also ihre Menge. Der Computer erzeugt aus der Ladung der einzelnen Sensorpixel schließlich ein Bild: Je mehr Elektronen, desto heller der entsprechende Bildpunkt. „Diese Methode funktioniert auch sehr gut“, erklärt Professor Dr. Norbert Wermes vom Bonner Physikalischen Institut. „Allerdings gilt das nur bei mittleren und hohen Bestrahlungsstärken.“

Bei niedrigen Intensitäten macht sich nämlich ein Effekt bemerkbar, der die Bildqualität sehr beeinträchtigen kann: das Dunkelrauschen. Denn nicht nur Röntgenquanten, sondern auch Wärme oder andere Störeinflüsse können die Freisetzung von Elektronen bewirken. „Wir haben daher einen Detektor entwickelt, der gleichzeitig eine zweite Nachweismethode nutzt: Wir zählen direkt, wie viele Röntgenquanten auf jedem Pixel ankommen“, sagt der ehemalige Wermes-Mitarbeiter Dr. Johannes Fink.

Warum braucht man dann überhaupt noch die indirekte Elektronen-Messung? Ganz einfach: Die Zählmethode ist zu langsam. Um es mit einem Bild zu sagen: Solange der Schnee wie in dem bekannten Weihnachtslied leise rieselt, kann man noch die einzelnen Flocken zählen. Bei einem Blizzard wird man daran jedoch scheitern. Da ist es dann doch praktikabler, nach dem Sturm die Höhe des Neuschnees messen und damit die Flockenzahl zu schätzen.

Der Bonner CIX-Sensor (CIX steht für „Counting and Integrating X-Ray Detector“) nutzt beide Methoden: Bei niedrigen Signalstärken zählt er die Quanten und erreicht damit ein geringes Rauschen. Bei hohen Strahlungsintensitäten (bei denen das Rauschen nicht mehr ins Gewicht fällt) misst er dagegen die Gesamtmenge der freigesetzten Elektronen. Diese Aufgabe übernimmt ein so genannter Integrator. So erreicht der Detektor einen hohen Dynamikumfang: Der Abstand zwischen dem „dunkelsten“ und „hellsten“ nutzbaren Signal ist extrem groß.

Das ist aber noch nicht alles: Der CIX-Sensor kann auch verschiedene Gewebetypen besser voneinander unterscheiden als herkömmliche Detektoren. Röntgenröhren produzieren nämlich Quanten verschiedener Energie. Energiereiche („harte“) Quanten können noch sehr dichtes Gewebe durchdringen, energiearme („weiche“) dagegen nicht. Je nach Gewebe, das das Röntgenlicht durchquert, verändert sich daher sein Spektrum. Physiker nennen das „Aufhärtung“.

Das Maß der Aufhärtung ist gewebespezifisch. Man könnte die darin steckende Information also beispielsweise nutzen, um Strukturen im Röntgenbild verschieden einzufärben. Momentan ist es aber eher so, dass die Aufhärtung die Bildqualität verschlechtert. Denn harte Quanten setzen beim Auftreffen auf den Sensor mehr Elektronen frei als weiche. Daher kann viel weiches Röntgenlicht im Integrator genau dasselbe Signal erzeugen wie wenig hartes. Dadurch sehen unterschiedliche Gewebetypen im Röntgenbild eventuell völlig gleich aus.

Der Quantenzähler kann dagegen die Energie der Quanten nicht erkennen. Er registriert lediglich, wie viele Quanten in der Strahlung auf dem Detektor ankommen, nicht jedoch, wie hart sie sind. „Wir nutzen nun den Signalstärkenbereich, in dem sowohl Zähler als auch Integrator arbeiten“, sagt Wermes. „Wir können so die Quanten zählen und über die Menge der freigesetzten Elektronen die mittlere Energie der absorbierten Strahlung bestimmen.“

Die Arbeitsgruppe um Professor Wermes und Dr. Krüger entwickelt normalerweise Pixelsensoren wie den CIX für ein Experiment am „Large Hadron Collider“ (LHC) des CERN in Genf. Mit diesem Beschleuniger lassen sich Bedingungen erzeugen, wie sie Sekundenbruchteile nach dem „Big Bang“ herrschten. Ein Konzept aus der physikalischen Grundlagenforschung ermöglicht nun eventuell eine völlig neue Generation von Röntgengeräten. (Andreas Archut)

Externer Link: www.uni-bonn.de

Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 02.12.2009

Neuartige Sensoren für die Haltbarkeit von Impfstoffen entwickelt

Aus verschiedenen Studien der Weltgesundheitsorganisation (WHO) geht hervor, dass bis zu 35 % der frostempfindlichen Impfstoffe während ihres Transports unbrauchbar werden, weil sie Temperaturen unter dem Gefrierpunkt ausgesetzt sind. Die Folgen für die jeweils Betroffenen liegen auf der Hand. Es gilt für die Forschung daher, beständig Verfahren zur Überwachung der Lagertemperatur von Impfstoffen voranzutreiben.

Dies ist einer Gruppe von Chemikern der Universität Regensburg auf herausragende Weise gelungen. Ihnen gelang die Entwicklung eines neuartigen Frostsensors, der auf den Verpackungen von Impfstoffen angebracht wird und eine Unterschreitung der Lager- oder Transporttemperatur unter den Gefrierpunkt von Wasser durch eine irreversible Farbänderung zuverlässig anzeigt. Die Entwicklung wurde im Rahmen eines Forschungsvorhabens auf den Weg gebracht, das von der britischen Firma TimeStrip in einem Umfang von rund 150.000 Euro finanziell unterstützt wurde. Maßgeblich an den Forschungen beteiligt war PD Dr. Vladimir Mirsky, der mittlerweile einen Ruf auf eine Professur an die Hochschule Lausitz erhalten hat.

Die Regensburger Wissenschaftler hatten im Rahmen ihrer Forschungen verschiedene Probleme zu lösen. Im Vordergrund stand zunächst die Suche nach geeigneten Sensormaterialien, die eine markante Farbänderung am Gefrierpunkt von Wasser aufweisen. Hier fiel die Wahl auf Gold-Nanopartikel (Größe: 5 – 10 nm), die in Lösung eine tiefrote Färbung zeigen. Friert diese Lösung ein, erfolgt eine irreversible Aggregation der Partikel. Dabei geht die rote Farbe verloren und man erhält eine farblose Suspension.

Darüber hinaus muss ein Frostsensor eine gewisse Langzeitstabilität aufweisen. Auch das war mit der Wahl von Gold-Nanopartikel gegeben. In dem gewünschten Zeitraum von mehreren Monaten trat keine Farbänderung bei Lagerungen über den Gefrierpunkt auf. Um zu gewährleisten, dass der Impfstoff auf keinen Fall friert, wurde zudem der Gefrierpunkt der Lösung mit den Gold-Nanopartikeln geringfügig nach oben gesetzt, indem Wasser gegen „schweres“ (deuteriertes) Wasser ausgetauscht wurde. Dieses gefriert im Gegensatz zu normalem Wasser bereits bei 3,8 °C.

Der auf dieser Grundlage entwickelte Frostsensor ist mittlerweile in die Produktion (alpha-Serie) gegangen. Ein europäisches Patent ist eingereicht worden. Verschiedene Anwender konnten die Funktionsweise des Sensors bislang erfolgreich testen.

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 16.10.2009

Neue Technologie ermöglicht erstmals exakte Positionsbestimmung in Gebäuden

Satelliten-Navigationsgeräte erleichtern den Alltag, nur in Gebäuden stoßen sie an ihre Grenzen. Abhilfe schafft erstmals ein am Institut für Theoretische Elektrotechnik und Systemoptimierung (ITE) entwickeltes Navigationssystem. Das aus mehreren Sensoren bestehende Gerät ermöglicht Benutzern punktgenaue Orientierung in Gebäuden, gleichzeitig kann es diese exakt kartographieren. Künftig soll das System den Einsatz von Rettungskräften und Polizeieinheiten sicherer machen und Menschen mit Sehbehinderung als „Elektronischer Blindenhund“ zur Seite stehen.

Ob fest in Fahrzeugen verbaut oder in Smartphones integriert, Navigationsgeräte sind fester Bestandteil mobilen Lebens. „Was im Freien problemlos funktioniert, war in Innenräumen wegen fehlender Satellitenverbindungen bislang undenkbar“, sagt Professor Gert Trommer, Leiter des Instituts für Theoretische Elektrotechnik und Systemoptimierung (ITE). Den ITE-Wissenschaftlern Christian Ascher und Christoph Keßler ist es nun gelungen, diese „Navigation Gap“ in Gebäuden zu überwinden. Dazu kombinierten die beiden Doktoranden bereits am ITE entwickelte Lösungen zur multisensoriellen Navigation mit einem neuartigen Fußsensor und optischen Sensoren, die die in Innenräumen fehlende Satellitenortung ersetzen.

Herzstück des Personennavigationsgeräts ist eine Inertialsensorik, die Daten eines Kompass sowie Höhen-, Rotations- und Beschleunigungsmessers mit den Informationen des am Schuh befestigten Fußsensors zusammenführt. Letzterer kann als eine Art „dreidimensionaler Schrittmesser“, Bewegungen im Raum exakt nachvollziehen.

„Die Inertialsensorik arbeitet im Grunde wie unser Innenohr“, erklärt Trommer. Und wie der menschliche Gleichgewichtssinn ist auch das neu entwickelte Navigationssystem auf optische Rückmeldungen zur Orientierung angewiesen. Dafür verfügt das am Oberkörper befestigte Gerät über eine Kamera und einen 240 Grad abdeckenden Laserscanner, die Entfernungen zu Gegenständen, Wänden und anderen Hindernissen berechnen. Durch den kontinuierlichen Abgleich der Daten erfasst das Navigationssystem die Position des Benutzers mit einer Langzeitgenauigkeit von rund 30 Zentimetern. Außerdem ermöglicht es, detaillierte Karten des betretenen Gebäudes anzufertigen. Die Positionsangabe kann dann wahlweise auf einem tragbaren Display, dem Bildschirm einer Leitzentrale oder über ein Blindenschrift-Interface angezeigt werden.

Die Wissenschaftler erwarten vielfältige Einsatzmöglichkeiten für ihre Neuentwicklung. So könnte das Navigationsgerät künftig die Arbeit von Feuerwehr oder Technischem Hilfswerk sicherer machen. Es ermöglicht nicht nur die Orientierung beispielsweise bei Rauchentwicklung, sondern kann durch die Kartierungsfunktion auch den Weg aus unbekannten Gebäuden weisen. Auch Einsatzkräfte der Polizei könnten durch die exakte Positionsbestimmung gezielter koordiniert werden. Darüber hinaus eröffnet das Navigationsgerät für blinde oder sehbehinderte Menschen neue Perspektiven: Kombiniert mit einem Braille-Schrift-Interface bietet sich die Nutzung als „elektronischer Blindenhund“ an.

In den kommenden Monaten wollen die Forscher ihren Prototyp in Zusammenarbeit mit dem Bundeskriminalamt Wiesbaden, dem Technischen Hilfswerk Mannheim und einer US-amerikanischen Blindenorganisation in der Praxis erproben und verbessern. Über Spezialanwendungen hinaus hat das ITE in Zukunft auch den Massenmarkt im Auge: „Dank ständig wachsender Rechenleistung mobiler Geräte und kostengünstigen Sensoren wird es möglich sein, das Fußgängernavi in handelsübliche Smartphones zu integrieren“, glaubt Trommer. Die Technik könnte schon in wenigen Jahren zu bezahlbaren Preisen beispielsweise die Orientierung in öffentlichen Gebäuden wie Bahnhöfen oder Tiefgaragen erleichtern. (jm)

Externer Link: www.kit.edu