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Röntgen mit Nanoröhrchen

Geringerer Energieverbrauch in kompakten Geräten

Von Rainer Scharf

Als Wilhelm Conrad Röntgen vor rund hundert Jahren eine Hand mit "X-Strahlen" durchleuchtete, erregte er damit innerhalb kürzester Zeit großes Aufsehen. Nicht nur die physikalische Forschung, sondern auch die medizinische Diagnostik erhielt dadurch großen Auftrieb. Doch seit Röntgens Entdeckung hat sich die Apparatur zur Erzeugung der energiereichen Strahlen nicht wesentlich gewandelt. Das könnte sich jetzt ändern. Wissenschaftler von der University of North Carolina in Chapel Hill haben eine kompakte Röntgenquelle entwickelt, deren Kathode nicht aus einem Glühdraht, sondern aus zahllosen Kohlenstoff-Nanoröhrchen besteht.

In der Kathode einer Röntgenquelle werden Elektronen produziert, die auf eine Anode beschleunigt werden und dort beim Aufprall Röntgenstrahlung erzeugen. Damit Elektronen in ausreichender Zahl freigesetzt werden können, muß in herkömmlichen Röntgenquellen ein dünner Metalldraht zum Glühen gebracht werden. Dazu ist eine Temperatur von rund 1500 Grad erforderlich. Eine solche Glühkathode verbraucht viel Energie, ist aufwendig zu bauen und recht empfindlich. Die Nanoröhrchen hingegen geben die Elektronen bereits bei Raumtemperatur durch Feldemission ab. Dazu lädt man die senkrecht auf der Kathode stehenden Röhrchen negativ auf. Am freien Ende der Röhrchen herrschen dann so starke elektrische Felder, daß die Elektronen gleichsam aus den Röhrchen herausgeschossen werden. Anschließend durchlaufen sie eine Beschleunigungsspannung von mehreren tausend Volt und prallen schließlich mit hoher Geschwindigkeit auf eine Kupferelektrode. Dabei entsteht die charakteristische Röntgenstrahlung.

Zur Herstellung der neuartigen Röntgenkathode ließen Otto Zhou und seine Kollegen einen dichten "Wald" von Kohlenstoffröhrchen auf einer 0,2 Quadratzentimeter großen Metallplatte wachsen ("Applied Physics Letters", Bd. 81, S. 355). Die zumeist einwandigen Röhrchen, die durch elektrische Kräfte an ihren Bestimmungsort gebracht wurden, hatten einen Durchmesser von etwa 1,4 Nanometern und bildeten 50 Nanometer dicke Bündel. Sobald die Kathode an eine starke Spannungsquelle angeschlossen wurde, begannen die Nanoröhrchen Elektronen zu emittieren. Dabei wurden Stromstärken bis zu 28 Milliampere erzielt, die mit derjenigen herkömmlicher Röntgenröhren vergleichbar sind.

Die Forscher demonstrierten die Leistungsfähigkeit der neuartigen Röntgenquelle, indem sie eine menschliche Hand und einen Fisch durchleuchteten. Dabei sind recht detailreiche Aufnahmen entstanden, die sich durchaus sehen lassen können. Nach Aussagen der Forscher erreichen die Bilder schon jetzt die Qualität herkömmlicher Röntgenaufnahmen.

Nach Ansicht der Forscher läßt sich die Qualität der Aufnahmen indes weiter verbessern, wenn man die Röntgenstrahlung noch stärker fokussiert. Das ließe sich nach Ansicht der Forscher leicht bewerkstelligen, da die Nanoröhrchen bereits einen scharf gebündelten Elektronenstrahl liefern. Damit wäre es möglich, Röntgenbilder mit extrem hoher Auflösung herzustellen - zur Freude der Ärzte und zum Nutzen von Patienten. Weiterhin kann man mit der neuen Kathode die Röntgenstrahlung besser dosieren und extrem kurze Röntgenpulse herstellen. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 09.07.2002, Nr. 156 / Seite 36

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