Rohstoff-Gewinnung und -Recycling
Röntgenfarbkamera analysiert Seltene Erden
Am Helmholtz-Institut Freiberg ist eine bislang einzigartige Röntgenfarbkamera in Betrieb gegangen. Damit können die Forscher künftig in sehr kurzer Zeit die Konzentrationen sehr fein verteilter Metalle wie beispielsweise die Elemente der Seltenen Erden in Erzmineralen bestimmen.
Die »High-Speed-PIXE«-Kamera beinhaltet – wie eine Fotokamera – einen Detektorchip; hinzu kommt eine Spezialoptik für die Röntgenstrahlung. Sie analysiert genau die chemische und räumliche Zusammensetzung einer Probe. »Mit unserer neuen Kamera können wir Stoffe deutlich schneller analysieren als mit ähnlichen Methoden«, so Axel Renno, Leiter der Arbeitsgruppe Ionenstrahlanalytik am Helmholtz-Institut Freiberg. So könne sich die Untersuchung einer mineralischen Probe von einem Tag auf eine Stunde verringern. Das ist möglich, weil die Probe nicht nach und nach abgetastet, sondern auf einmal komplett beleuchtet und untersucht wird.
Charakteristische Röntgenstrahlung
Zuerst wird ein Protonenstrahl – also schnelle, positiv geladene Teilchen aus einem großen Ionenbeschleuniger – gleichmäßig auf eine Probe gelenkt. Wenn die Protonen auf die Probe treffen, entsteht Röntgenstrahlung. Sie ist für jedes Element, das in der Probe enthalten ist, charakteristisch und wird von der Röntgenfarbkamera aufgenommen. Dadurch wissen die Forscher, aus welchen chemischen Elementen die Probe besteht. Auf einem Bildausschnitt mit einer Seitenlänge von je 12 mm werden dabei 70.000 Bildpunkte gleichzeitig erfasst. Ein optisches Bild entsteht durch eine Speziallinse für die Röntgenstrahlung: Dafür wurde eine Kapillaroptik aus hauchdünnen Glasröhrchen entwickelt; sie ordnet jeden Röntgenstrahl auf der Probe den Bildpunkten zu.
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Protonenstrahl aus dem Ionenbeschleuniger
Die Röntgenfarbkamera ist einer der wenigen Apparate weltweit, mit dem man die räumliche Verteilung von Spurenelementen wie den Seltenerd-Elementen derart schnell untersuchen kann. Einzigartig ist allerdings, dass sie mit einem Protonenstrahl aus einem Ionenbeschleuniger betrieben wird. Die Kamera wurde speziell für diese Zwecke angepasst. Bisher wurden Kameras dieser Art an noch größeren Beschleunigeranlagen, so genannten Synchrotrons, betrieben.
Ultraspurenelementen auf der Spur
Seltene Erden sind ein Schwerpunkt am Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie; die Forscher kümmern sich sowohl um die Gewinnung der Rohstoffe aus dem Erz als auch um das Recycling der wertvollen Ressourcen aus ausgedienten Produkten wie Energiesparlampen. Neben den Seltenerd-Elementen gibt es noch seltener vorkommende Stoffe, die so genannten Ultraspurenelemente. Sie spielen eine wichtige Rolle, um die Prozesse bei der Bildung von Rohstofflagerstätten aufklären zu können. Die Analyse dieser Elemente soll ein weiterer Fokus der Messungen an der Röntgenfarbkamera sein.
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