Technische InformatikSchnellste Kamera
13. August 2019
Heidelberger Physiker an Entwicklung eines Hochleistungsdetektors zur Abbildung von Röntgenstrahlung beteiligt
Die weltweit schnellste Kamera zur Abbildung einzelner Photonen im sogenannten weichen Röntgenbereich hat ihren Betrieb aufgenommen. Entwickelt wurde sie von einem internationalen Konsortium unter Beteiligung von Physikern der Universität Heidelberg. Zum Einsatz kommt der sogenannte DSSC-Detektor in der Hamburger Forschungsanlage European XFEL. Dort werden in unterirdischen Tunneln ultrakurze Röntgenlaserblitze erzeugt, die Forschern die Möglichkeit bieten, zum Beispiel atomare Details von Viren zu erkennen oder chemische Reaktionen zu filmen.
Bei Experimenten am XFEL werden ultrakurze Laserlichtblitze im Röntgenbereich auf die zu untersuchende Probe gefeuert. Dort werden sie von den Atomen gestreut, was zu einem unverwechselbaren Muster führt, das vom DSSC-Detektor hinter der Probe beobachtet wird. Dieser kann 4,5 Millionen Bilder pro Sekunde aufzeichnen, bis die 800 internen Speicherzellen gefüllt sind. In Pausen zwischen den Lichtblitzen werden die Daten dann über mehrere 10Gbit (Gigabit) schnelle Glasfasern ausgelesen. Damit ist der DSSC der weltweit schnellste abbildende Detektor für weiche Röntgenstrahlen, das heißt für lange Röntgenwellenlängen mit niedrigen Energien.
Die Heidelberger Wissenschaftler am Institut für Technische Informatik (ZITI) unter der Leitung von Prof. Dr. Peter Fischer haben unter anderem elektronische Schaltungen für den zentralen Auslesechip entworfen, dessen gesamte Entwicklung koordiniert, die komplexen elektronischen Leiterplatten zur Datenauslese beigesteuert und sogenannte FPGA-Chips programmiert, mit denen die Daten mit hoher Geschwindigkeit empfangen, zwischengespeichert, umsortiert und weitergeschickt werden können. „Außerdem haben wir Software zur Analyse und zur Weiterleitung der großen Datenmengen entwickelt und diese dann bei der Inbetriebnahme der fertigen Kamera eingesetzt“, erläutert Prof. Fischer, dessen Forschungsgruppe seit über zehn Jahren an dem Projekt arbeitet. „DSSC ist ein sehr gutes Beispiel dafür, dass man neue wissenschaftliche Erkenntnisse oft nur mit ganz neuartigen Geräten erlangen kann, deren Entwicklung sehr viel Erfahrung, technologisches Know-How und Zeit erfordern. Auch in der Formel 1 braucht es zum Sieg ja außer einem guten Fahrer vor allem einen hervorragenden Rennwagen“, betont Peter Fischer.
Zu dem internationalen Konsortium, das den DSSC-Detektor realisiert hat, gehören neben den Wissenschaftlern der Universität Heidelberg auch Experten der Forschungszentren Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) und European XFEL sowie der Universität Bergamo und des Polytechnikums in Mailand (Italien). Die verwendeten Silizium-Sensoren wurden am Halbleiterlabor der Max-Planck-Gesellschaft in München entworfen und hergestellt.