MPE Jahresbericht 2002 / MPE Annual Report 2002

3.
Experimentelle Entwicklung und Projekte /
Experimental Development and Projects

3.7   Technologietransfer / Know-How Transfer

3.7.1   Komplexitätsanalyse / Complexity Analysis

Das MPE arbeitet an vorderster Front der Wissenschaft und Technologie. Deshalb ist es möglich, einige unserer Erkenntnisse entweder direkt in Projekten zusammen mit der Industrie zu transferieren, oder über Lizenzen aus unseren Patenten in die kommerzielle Nutzung zu überführen. Bei letzterem, so hat sich herausgestellt, brauchen die Industriepartner gewöhnlich Unterstützung bei der Einführung der Verfahren - nur so kann Wissenstransfer effizient durchgeführt werden. Das MPE fühlt sich verpflichtet - obwohl primär in der Grundlagenforschung tätig - diesen Wissenstransfer in angemessener Weise auszuführen. Ähnliches gilt bei der Unterstützung anderer Forschungsdisziplinen, beispielsweise für Wissenstransfer in die Halbleiterforschung, Elementarteilchenphysik und Medizin. Der Transfer erfolgt hauptsächlich aus den Bereichen Theorie und Detektorentwicklung. So werden Analyseverfahren zur Struktur- und Mustererkennung aus astrophysikalischen Fragestellungen (z.B. Materieverteilung im Universum) oder zum Studium von Phasenübergängen bei Komplexen Plasmen in die Medizindiagnostik oder Ingenieurwissenschaft transferiert. Röntgendetektoren, die für unsere Weltraumteleskope entwickelt wurden, werden einer industriellen Verwertung z.B. im Strahlungsdosismonitoring zugeführt.

The MPE researches at the cutting edge of science and technology. For this reason it is possible to achieve breakthroughs, which can be transferred into industrial applications. This may happen either through direct contacts and cooperations within projects or through license agreements with our patents. In the latter case, we have noted that our industrial partners require some initial support to make the transfer of know-how efficient. The MPE feels some obligation to support this (within appropriate limits), although our main calling is basic science, of course. Similar arguments hold for transferring our know-how into other branches of science, for example semiconductor research, elementary particle physics and medicine. Currently, know-how transfer comes mainly from the theory group and from the detector development. For instance new analysis techniques developed for structure and pattern quantification in the astrophysical context (e.g. matter distribution in the Universe) or for the study of phase transitions in complex plasmas are transferred to engineering or medical diagnostics. The development of X-ray detectors for our space telescopes are utilized for industrial applications for example in dosimetry.

Die Arbeitsgruppe "Komplexe Systeme" beschäftigt sich mit der Entwicklung und dem Transfer von Methoden fortgeschrittener Datenanalyse und Datenmodellierung in interdisziplinären Projekten. Zahlreiche dieser Entwicklungen sind durch Problembehandlungen im astrophysikalischen Kontext motiviert, wie z.B. die Beschreibung der großräumigen Strukturen im Universum oder die stochastische Analyse des kosmischen Mikrowellen-Hintergrundes (siehe Kapitel 2.3). In den folgenden Beispielen werden einige typische Datenanalyse-Aufgaben betrachtet, wie das Identifikations- oder Segmentierungsproblem, die Modellierung und Vorhersage oder - soweit die Bildanalyse betrachtet wird - die Segmentierung und strukturelle Charakterisierung.

The working group "complex systems" deals with the development and the transfer of methods provided for an advanced data analysis and data modelling in interdisciplinary scientific projects. Many of the developments are inspired by problems with an astrophysical background, e.g. the description of the large scale structure of the universe and the analysis of the cosmic microwave background that are considered in the related section (see chapter 2.3). In the following examples, we focus on some typical data analysis tasks as for example the identification or classification problem, the modelling and prediction, and - as far as image analysis is concerned - the segmentation or textural characterization.

Ein Standardproblem der digitalen Bildverarbeitung ist das Segmentierungsproblem. In diesem Bereich wurden am Institut Vorarbeiten zur Detektion/ Segmentierung von Zellen in Fluoreszenzaufnahmen durchgeführt. Ein zuverlässiges automatisches Segmentierungsverfahren ist eine wesentliche Voraussetzung für große Durchmusterungen (high-throughput Screening) in der biologisch-medizinischen Forschung. Hierbei genügt es oft nicht, beliebige Zellen zu segmentieren, sondern es müssen auch morphologische Aspekte zur Diskriminierung verschiedener Zelltypen berücksichtigt werden.

A standard problem in digital image processing is the segmentation. In this field preparatory work has been carried out for the detection/segmentation of cells in fluorescent images. A reliable automatic segmentation procedure is a fundamental prerequisite for large surveys (high-throughput screening) in biological and medical research. In these applications a simple segmentation of cells is often not sufficient, because also different cell types have to be discriminated by considering morphological features.

Hilfreich für solche auch zukünftig zu bearbeitende Probleme kann die neuronale Formulierung der Skalierungs-Index-Methode (SIM) sein. Anhand digitaler Bilder aus Plasmakristall-Experimenten wurde untersucht, ob eine Verbesserung der Partikeldetektion einer Kristallschicht mit einem solchen neu entwickelten Ansatz erreicht werden kann. Aufgrund komplizierter Streueigenschaften auf der Partikeloberfläche, Bewegungsartefakten, Digitalisierungseffekten und optischer Überlagerungsphänomene aus benachbarten Kristallschichten ist auch dieses Segmentierungs- bzw. Identifikationsproblem schlecht konditioniert.

The neural formulation of the scaling-index-method (SIM) could be helpful in such problems, which will also arise in future applications. On the basis of digital images of the plasma crystal experiments it was studied, whether the particle detection in a crystal layer can be improved using this new approach. This segmentation and identification problem is ill-conditioned due to complicated light scattering properties on the particle surface, digitalisation effects and optical superposition phenomena from adjacent crystal layers.

Das neu entwickelte Segmentierungsverfahren wurde hinsichtlich der Kriterien Detektionsgüte und Robustheit untersucht. Die Segmentierung erfolgt letztendlich schwellwertbasiert. Abb. 3-29 illustriert die Detektion der Partikel aus dem links dargestellten Bildausschnitt. Es wurden fast alle Partikel detektiert; darüber hinaus wurden einige Partikel gefunden, auf die die Referenzmethode nicht angesprochen hat, die aber bei nachträglicher visueller Inspektion verifiziert werden konnten.

The newly developed segmentation procedure was investigated with respect to detection quality and robustness. The segmentation itself is finally based on thresholding. Fig. 3-29 illustrates the detection of the particles from the image on the left side. Almost all particles were detected and furthermore some particles could be identified, which were not found with the reference method, but could be verified by a subsequent visual inspection.

Zur Untersuchung der Robustheit der Partikeldetektion wurden verschiedene Netze generiert, die jeweils mit Partikeln mit aufsteigendem Mindestgrauwert trainiert wurden. Verglichen wurden die Segmentierungsergebnisse mit jenen eines Netzes, das mit dem gesamten Spektrum vorhandener Grauwerte trainiert wurde. Dabei zeigte sich, dass die Erkennungsrate nur wenig von der Grauwerteverteilung der Trainingsdaten abhängt, sondern vielmehr auf strukturellen Eigenschaften basiert.

In order to characterize the robustness of the particle detection, several nets have been generated, which were trained with particles of increasing minimum grey-value. The segmentation results were compared to those of a net, which has been trained with the whole spectrum of grey-values. It turned out, that thedetection rate depends only weakly on the grey-value distribution in the training set, but aims at structural properties.

Abb. 3-29: Das linke Bild zeigt einen Ausschnitt eines Bildes aus den Plasmakristall-Experimenten. Das Ergebnis der Partikeldetektion mit der neuronalen Formulierung der Skalierungs-Index-Methode ist im rechten Bild dargestellt. Die grün markierten Partikel wurden sowohl vom Referenzalgorithmus als auch vom neu entwickelten Verfahren detektiert. Vom neuronalen Ansatz nicht erkannt wurden die rot gekennzeichneten Partikel, während die blau markierten Partikel vom Referenzverfahren nicht erkannt wurden.

Fig. 3-29: The left panel shows an image segment from the plasma crystal experiments. The result of the particle detection using the neural formulation of the scaling-index-method is shown in the right image. Both the reference algorithm and the newly developed method have detected the green marked particles. The neural net has not identified the particles labelled in red, while the reference algorithm has not spotted the blue marked particles.

Die Partikeldetektion mit diesem adaptiven Verfahren, das auf strukturellen Komplexitätsmaßen basiert, weist in den Experimenten eine hohe Zuverlässigkeit und Robustheit auf. Ein quantitativer Vergleich der Detektionsraten des bisherigen und des neu entwickelten Algorithmus wird durch die Verwendung von Plasmakristall-Simulationsdaten erwartet.

In the experiments the particle detection with this adaptive method, which is based on structural complexity measures, revealed a high degree of reliability and robustness. A quantitative comparison of the detection rates of the present and newly developed algorithm is expected from the use of simulation data of the plasma crystal experiment.

Der Schwerpunkt unserer Studien im Bereich der medizinischen Bildverarbeitung lag in der Analyse von Knochenstrukturen, wie sie sich in hochauflösenden dreidimensionalen tomographischen Kernspinresonanzbildern (MR-Bilder) darstellen. Ziel ist es, die Diagnosegenauigkeit von Osteoporose zu erhöhen und eine bessere Risikoabschätzung von Knochenbrüchen zu erreichen (laut Weltgesundheitsorganisation WHO zählt die Osteoporose zu den zehn wichtigsten Krankheiten weltweit). Diese Arbeiten wurden im Rahmen eines sogenannten "Tandem-Projekts" in Zusammenarbeit mit dem Institut für Röntgendiagnostik der Technischen Universität München durchgeführt.

The main focus of our studies in medical image processing using nonlinear techniques was the analysis of bone structures as displayed in high resolution three-dimensional tomographic magnetic resonance (MR) images. The aim is to improve the diagnosis of osteoporosis and to allow for a better risk assessment of fractures (according to the World Health Organisation WHO osteoporosis is among the ten most important diseases worldwide). All these studies were conducted within the framework of a so-called "tandem-project" in collaboration with the Institute of Radiology at the Technische Universität München.

Die Bedeutung von nichtlinearen Korrelationen für die quantitative Beschreibung von Knochenstrukturen konnte mit Hilfe von Surrogatdaten (Ersatzdaten) statistisch nachgewiesen werden. In diesen Surrogaten der dreidimensionalen Bilddaten ist sowohl das Leistungsspektrum als auch die Verteilung der Intensitätswerte der Bilddaten erhalten. Die Berechnung nichtlinearer statistischer Maße, wie z.B. des Spektrums der Skalierungsindizes, offenbart sehr deutliche Unterschiede zwischen den Surrogaten und den Originaldaten. Dies deutet darauf hin, dass nichtlineare statistische Maße notwendig sind, um eine angemessene Beschreibung der Daten zu ermöglichen.

Applying the method of surrogates proved the significance of nonlinear correlations for the quantification of bone structures in MR images. In order to do so we generated surrogates for the 3D data sets, which preserved both the power spectrum and the distribution of intensity values of the image. By applying non-linear statistical measures such as the spectrum of scaling indices a clear discrimination between the original and surrogate data was possible. From this we can conclude that bone structure contains non-linearities and it is therefore mandatory to use non-linear statistical measures to enable an appropriate description of the data sets.

In einer großen in vitro Studie wurde die Korrelation zwischen den neu definierten statistischen Maßen, die die mikroskopischen Eigenschaften der trabekulären Knochenstrukturen quantifizieren, und den makroskopischen biomechanischen Eigenschaften (z.B. Bruchfestigkeit="maximal contraction strength (MCS)") untersucht. Aus dem Spektrum der Skalierungsindizes, die die lokalen Skalierungseigenschaften in Bildern quantifizieren, wurde ein spektraler Bereich Delta P(alpha) identifiziert, der sensitiv für diagnoserelevante Strukturinhalte ist. Die besten Ergebnisse wurden für Proben von Wirbelsäulenknochen erzielt, bei denen ein Korrelationskoeffizient R = 0.93 zwischen DeltaP(alpha) und MCS erreicht werden konnte. Dieses Resultat ist signifikant besser als die Korrelation zwischen der gegenwärtig verwendeten Knochendichte ("bone mineral density"=BMD) und MCS (R=0.73).

In a large in vitro study we investigated the correlation of our newly defined statistical measures that quantify the microscopic properties of the trabecular bone structures with macroscopic biomechanical properties (for example maximal contraction strength (MCS)). From the spectrum of scaling indices, which quantifies the local scaling properties in an image, we derived a spectral range Delta P(alpha), which is sensitive to diagnostically relevant bone structures. We obtained the best results for specimen taken from the spine where a correlation coefficient R = 0.93 between Delta P(alpha) and MCS was achieved. This result is significantly better than that obtained after correlating the bone mineral density (BMD) with MCS (R=0.73).

Derzeit wird eine große klinische Studie durchgeführt, in der validiert werden soll, wie gut die abgeleiteten Strukturmaße das Risiko von Wirbelbrüchen bei postmenopausalen Frauen vorhersagen können. Bis jetzt wurden von 40 Patienten (17 Patienten mit Bruch / 23 Gesunde) MR Bilder (Abb. 3-30) des distalen Radius (= Speiche) aufgenommen und analysiert. Das Strukturmaß Delta P(alpha) wurde in einer sehr ähnlichen Weise wie in der in vitro Studie bestimmt: mit Hilfe einer ROC-Analyse wurden Bereiche im P(alpha)-Spektrum, d.h. Strukturkomponenten im Knochen, gesucht, die optimal zwischen Patienten mit und ohne Fraktur unterscheiden. Die Güte der Diskriminierung lässt sich durch die Berechnung der Flächen (A) unter der ROC-Kurve bestimmen. Das derzeit beste Ergebnis ist A=0.86. Unseres Wissens konnte eine solch gute Diskriminierung bisher mit keiner anderen Methode erreicht werden.

A large clinical study is now conducted in order to assess how well the structure measures can predict the risk of spine fractures for postmenopausal women. Until now we have collected and analysed high resolution MR images (Fig. 3-30) from the distal radius of 40 patients (17 fractures / 23 healthy). The structure measure Delta P(alpha) has been determined in a very similar way to that of the in vitro study: by means of a Receiver Operator Characteristic (ROC) analysis we searched for a range of the P(alpha)-spectrum (that is equivalent to the structural component of the bone), which is optimal to discriminate between patients with fracture and patients without fracture. The degree of discrimination is quantified by calculating the area (A) under the ROC curve. Our best result is A=0.86. To our best knowledge, such a degree of discrimination has never been achieved using other methods.

Abb. 3-30: Hochauflösende Kernspinresonanzbilder des distalen Radius (Speiche). Links: gesunder Knochen, rechts: osteoporotischer Knochen. Der Verlust der trabekulären Knochenstrukturen ist in diesem Fall klar mit dem bloßen Auge sichtbar.

Fig. 3-30: High resolution MR images of the distal radius. Left: healthy bone, right: osteoporotic bone. The loss of the trabecular bone structures is in this case clearly visible by eye.

Im Bereich der Tumordiagnostik wurden die Möglichkeiten der Erkennung und Quantifizierung von früher Nekrose bei Brustkrebs durch MR Bildgebung untersucht. Insbesondere wurde der Effekt des Kontrastmittels "Gadophrin" auf die Detektionsrate und Quantifizierung von früher Nekrose analysiert. Hierzu wurden Brusttumorzellen in Mäuse implantiert und die Tumore anschließend mittels MR Bildgebung mit und ohne Gadophrin dargestellt. Die Ausdehnung der Tumore sowie ihrer nekrotischen Areale wurden bestimmt, indem am MPE entwickelte Segmentierungsalgorithmen verwendet wurden. Anschließend wurden diese Ergebnisse mit histologischen Befunden verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass mit Gadophrin der Nachweis von Nekrose verbessert werden kann. Dies kann in der Zukunft eine bessere und frühere Beurteilung von Wirkungen von z.B. Chemotherapie bei Brustkrebspatientinnen ermöglichen.

In the field of tumor diagnostics the possibilities of detection and quantification of early necrosis in breast cancer by MR imaging were investigated. We evaluated the effect of the contrast agent "Gadophrin" on the detection rate and quantification of early necrosis in breast cancer. Therefore breast tumors, which were implanted in mice, underwent MR imaging with and without the injection of Gadophrin. The extent of the tumor necrosis was quantified by applying segmentation algorithms developed at the MPE during the last years, and the result was correlated with the histological findings. We found that using the contrast agent Gadophrin the detection of early necrosis is enhanced. These findings may allow for better assessment of early tumor response on chemotherapy in the future.

In Zusammenarbeit mit dem Department für Geo- und Umweltwissenschaften der Ludwig-Maximilians-Universität München wurden Simulationen zur Erklärung von rastertunnelmikroskopischen (STM) Aufnahmen durchgeführt. Die Experimente bestanden in der Erzeugung von Arrays von molekularen Nano-Drähten auf einer Kristall-Oberfläche durch dynamische Selbst-Assemblierung.

In collaboration with the Department für Geo- und Umweltwissenschaften of the Ludwig-Maximilians-Universität München simulations have been carried out in order to explain the results of scanning tunnelling microscopic (STM) images. In the experiment, arrays of molecular nano-wires on crystal-surfaces were generated by dynamic self-assembly.

Mit Hilfe von molekülmechanischen Simulationen, sogenannten Kraftfeldrechnungen, wurde die Struktur der selbst-assemblierten Nano-Drähte aufgeklärt. Hierbei werden die einzelnen Atome als individuelle Teilchen behandelt, die durch Potentiale wechselwirken. Die Potentialfunktionen werden durch Summation von empirisch ermittelten zwei-, drei- und vier-Körper-Potentialen berechnet. Durch simuliertes Tempern (simulated annealing) wird ein Minimum der Gesamtenergie berechnet. In Abb. 3-31 ist die rastertunnelmikroskopische Aufnahme eines solchen Nano-Drahtes gezeigt. Dem Bild überlagert sind die Ergebnisse einer Energieminimierung. Die vier Molekülmodelle (oben) erklären die Anordnung der Moleküle im Nano-Draht. Gestrichelt eingezeichnet sind Wasserstoff-Brückenbindungen, die den Draht stabilisieren und vermutlich als Elektronenbrücken bei der Elektronenleitung fungieren.

Using molecular-mechanic simulations, so called force field calculations, the structure of the self-assembled nano-wires has been clarified. In the simulation the single atoms are treated as individual particles, which interact through potentials. The potential functions are calculated by summation of empirically determined two-, three- and four-body potentials. The minimum of the total energy is calculated by using simulated annealing techniques. In Fig. 3-31 a scanning tunnelling microscopic image of such a nano-wire is shown. Overlaid are the results of an energy-minimization calculation. Shown are four molecular models (upper part) that visualize the arrangement of the molecules in the nano-wire. The H-bonds, which stabilize the wire and probably act as bridges for the electron-conductivity, are shown as dashed lines.

Abb. 3-31: STM-Bild eines QAC Nanodrahts. Eingezeichnet ist die lokale Zustandsdichte (simuliertes STM-Bild).

Fig. 3-31: STM-Image of a QAC nano-wire. Shown in the overlay is the local density of states (simulated STM-Image).

Abb. 3-32: Dargestellt ist die Ladungsdichte-Oberfläche eines QAC-Moleküls (oben), die Farben kodieren das elektrostatische Potential. In der unteren Abbildung ist die Zustandsdichte(DOS) eines Drahts gezeigt.

Fig. 3-32: Charge-density surface of a QAC-molecule coloured with the electrostatic potential. In the lower panel the density of states (DOS) of the wire is shown.

Wie man weiß, ist das benutzte Material der Nano-Drähte (Quinacridon) im Festkörper ein Halbleiter. Für einen Nano-Draht aus Quinacridon sind jedoch die elektrischen Eigenschaften weitgehend unbekannt. Um die elektronischen Eigenschaften eines Nano-Drahts zu untersuchen wurde deshalb eine quantenmechanische Simulation durchgeführt. Bei der sogenannten Dichtefunktionaltheorie handelt es sich um eine Vereinfachung der Hatree-Fock-Gleichungen der vollen Quantenmechanik durch die Einführung eines Potentials, das nur von der lokalen Zustandsdichte der Elektronen abhängt.

As is well known, the material under study (Quinacridon) behaves as a semi-conductor when measured in the bulk. For a nano-wire made of Quinacridon the electronic properties are largely unknown. In order to investigate the electronic properties quantum-mechanical simulations have been performed. The so-called density functional theory is a simplification of the Hatree-Fock-Equations of the full quantum-mechanical problem by the introduction of a potential, which only depends on the local density of states (LDOS) of the electrons.

Dadurch ergibt sich eine starke numerische Beschleunigung, allerdings müssen immer noch die Wellenfunktionen aller Elektronen im gesamten System berechnet werden. Das vereinfachte Lagrange-Funktional kann dann mit Hilfe von Minimierungsalgorithmen (simulated annealing, conjugate gradient) zur Bestimmung des Grundzustands der Elektronen verwendet werden. Als Insert in Abb. 3-32 (unten) ist die so erhaltene Zustandsdichteverteilung des Orbitals des
Elektrons, das für den Bildkontrast des Rastertunnelbilds verantwortlich ist, eingezeichnet. Es entspricht einem simulierten Rastertunnelbild. In Abb. 3-32 unten ist die Zustandsdichte der Elektronen (DOS - Density Of States) in einem Quinacridon-Draht aufgetragen. Der Nullpunkt der Abszisse entspricht der Fermi-Energie. Man erkennt, dass die Bandlücke zwischen dem Leitungs- und Valenz-Band (blau bzw. rot eingefärbt) in der Größenordnung von ca. 2 eV liegt, was für Halbleiter charakteristisch ist. In Abb. 3-32 oben ist ein Modell eines Quinacridon-Moleküls gezeigt. Die beiden eingezeichneten Oberflächen entsprechen der Wellenfunktion eines Elektrons im Leitungsband (unten) und der Ladungsdichte aller Elektronen
(oben).

Thus one obtains a large reduction of the numerical computing time, although all wave functions of all electrons have to be calculated. The simplified Lagrangian can be used for the determination of the ground state of the electrons by using minimization algorithms (simulated annealing, conjugate gradient). In Fig. 3-32 (lower part) the obtained local density of states of the orbital of the electrons, that is responsible for the image contrast of the scanning tunnelling image is shown as an insert. It is equivalent to a simulated scanning tunnelling image. In Fig. 3-32 (lower panel) the Density Of States (DOS) of a Quinacridon-wire is plotted. The origin of the abscissa is equivalent to the Fermi-Energy. As can be seen, the band gap between the conduction- and the valence band (blue and red coloured, resp.) is of the order of ~2 eV, which is characteristic for a semi conductor. In Fig. 3-32 (upper panel) a model of a Quinacridon molecule is shown. The two plotted surfaces are equivalent to the wave function of an electron in the conduction band (lower part) and the charge density of all electrons (upper part).

Unsere Arbeiten im Wissenstransferbereich werden durch Sonderzuwendungen der Max-Planck-Gesell-schaft (Tandem-Projekt) unterstützt.


Our know-how transfer projects are supported by the Max-Planck-Gesellschaft (Tandem-Project).

3.7.2   Wissenstransfer aus dem Fertigungsbereich /
Know-How Transfer from the MPI Semiconductor Laboratory to Industry

Das Halbleiterlabor der Max-Planck-Institute für ex-traterrestrische Physik und für Physik (MPI-HLL) besteht in seiner jetzigen Form seit 1991. Seine Aufgaben sind die Entwicklung und Fertigung von Halbleiterdetektoren für die Röntgenastronomie und für die Hochenergiephysik.

The "Halbleiterlabor der Max-Planck-Institute für Physik und extraterrestrische Physik" (MPI-HLL) exists in its present form since 1991. Its tasks are the development, fabrication and assembly of semiconductor detectors for experiments mainly in X-ray astronomy and high energy physics.

Derzeit arbeiten 30 Mitarbeiter am MPI-Halbleiter-labor - Physiker, Elektrotechniker, Physik-Ingenieure und Techniker. Hinzu kommen Diplomanden und Doktoranden aus den Bereichen Physik und Elektrotechnik. Die vor uns liegenden Hauptprojekte aus dem Bereich der Röntgenastronomie sind ROSITA (2008) und XEUS (2015). In der Hochenergiephysik sind es die Beschleunigervorhaben ATLAS (2005) und TESLA (2015).

Currently 30 physicists, engineers and technicians work at the MPI-HLL. The staff is completed by diploma and Ph.D. students working in the fields of physics and electrical engineering. The current main projects in X-ray astronomy are ROSITA (2008) and XEUS (2015). In the field of high energy physics the main projects are ATLAS (2005) and TESLA (2015).

Neben diesen Hauptaufgaben entwickelt das MPI-HLL auch verschiedenste Arten von Siliziumdriftdetektoren für astrophysikalische Anwendungen (XEUS, SIMBOL-X, Mars Lander, ROSETTA) aber auch für den Gebrauch in der Materialforschung, der Qualitätsanalyse und der Kunstforschung.

Besides these major tasks, the MPI-HLL develops also various types of silicon drift detectors for astrophysical applications (XEUS, SIMBOL-X, Mars Lander, ROSETTA), but also for use in materials research and arts research.

Bisher wurde die Aufgabe des kommerziellen Vertriebes und der Montage der Siliziumchips von der Fa. KETEK übernommen. Seit Mai des Jahres 2002 füllt die neugegründete Fa. PNSensor diese Funktion. Im Forschungsbereich arbeitet PNSensor als Auftragnehmer für die Projekte XEUS und ROSITA.

The tasks of sales and distribution as well as the chip mounting were up to now performed by the KETEK Company. Since May 2002, the newly established company PNSensor fulfils this function. PNSensor also operates in the field of research as contractor for the projects XEUS and ROSITA.

Aus dem Bereich der Kunst- und Dokumentenanalyse, die hauptverantwortlich von der Bundesanstalt für Materialprüfung (BAM, Berlin) unter der Federführung von Oliver Hahn gemacht wurde, soll etwas ausführlicher berichtet werden.

From the field of analysis of arts and documents, which was performed under the responsibility of the Bundesanstalt für Materialforschung (BAM, Berlin) lead-managed by Oliver Hahn, will be reported in more detail.

Neben den Untersuchungen auf Echtheit von Kunstwerken, die in den vergangenen Jahren in Zusammenarbeit mit der Politecnico di Milano im Vatikanmuseum durchgeführt wurden, stehen diesmal die Datierung von künstlerischen Arbeiten im Vordergrund. Sie wurden mit einem Gerät der Firmen IFG und RÖNTEC aus Berlin analysiert - mit Siliziumdriftdetektoren aus dem MPI-Halbleiterlabor. Das hier eingesetzte mobile Röntgenspektrometer ArtTAXTM ist das Resultat eines EU Forschungsprojektes unter MPE Beteiligung mit dem Ziel, die Silicium-Driftdetektortechnologie in Endgeräte zu integrieren.

In addition to the investigation about the genuineness of antiques, which was done in the last years together with the Politecnico di Milano in the museum of the Vatican, this time the dating of works of art is under investigation.The analysis was carried out with a system of the companies IFG and RÖNTEC from Berlin - implementing silicon drift detectors fabricated in the MPI-Halbleiterlabor. The X-ray spectrometer ArtTAXTM used for this, is the result of an EU research project with MPE participation having the aim to integrate the silicon drift detector technology in commercial devices.

Abb. 3-33: Der "Messkopf" des transportablen Röntgenfluoreszenzspektrometers ArtTAXTM über J. W. von Goethes Manuskript von "Faust". Der bewegliche Kopf enthält im Wesentlichen eine Röntgenröhre zur Anregung der Fluoreszenzstrahlung und unseren kalibrierten Siliziumdriftdetektor. Der Peltier gekühlte Detektor (-10°C) führt seine Wärme über das Aluminiumgehäuse ab. (Foto: mit freundlicher Genehmigung von O. Hahn, BAM)

Fig. 3-33: The measuring head of the portable X-ray fluorescence spectrometer ArtTAXTM analyzing J. W. von Goethes manuscript of "Faust". The movable head contains as essential parts an X-ray tube for stimulation of fluorescence radiation and our calibrated silicon drift detector. The Peltier cooled detector (-10°C) dissipates the generated heat via the aluminium housing (with kind approval by O. Hahn, BAM).

Schriftgut und Malerei zählen zu unseren bedeutendsten Kulturgütern. Ihre Analyse, Bewahrung und konservatorische Betreuung, aber auch die Untersuchung hinsichtlich der Klärung ihres historischen und gesellschaftlichen Kontextes stehen im Mittelpunkt der kulturhistorischen Forschung. Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) kann hier gesicherte Erkenntnisse über die präzise Zusammensetzung von Farben, Tinten und anderen Materialien geben. Selbst Spurenelemente können nachgewiesen werden und so Auskunft über Ort und Zeitpunkt der Herstellung erteilen. Dies soll an zwei Beispielen exemplarisch gezeigt werden: (a) der Untersuchung der Originalmanuskripte von J.W. von Goethes Faust I und Faust II (Abb. 3-33) und (b) der Kolorierung von Kupferstichen von Albrecht Dürer: "Petrus und Johannes heilen einen Lahmen" (Abb. 3-35).


Scriptures and paintings are among the most important treasures of culture. Their analysis, preservation and maintenance, but also the investigation of their historical and social context is in the centre of research about culture history. The X-ray fluorescence analysis (RFA) allows a reliable determination of the precise composition of paints, inks and other materials. Even trace elements can be detected and thus provide information about place and time of fabrication. This is exemplified by two cases: (a) the analysis of the original manuscripts of J. W. von Goethes Faust I and Faust II (Fig. 3-33) and (b) the colouration of copper engravings of Albrecht Dürer "Peter and John healing the cripple" (Fig. 3-35).

J.W. von Goethes Faust I und Faust II / J. W. von Goethes Faust I and Faust II

Die Schreib- und Zeichenmaterialien in historischen Dokumenten und Manuskripten werden seit alters her aus verschiedenen Materialien nach unterschiedlichen Rezepturen hergestellt. Der wechselnde Gehalt der chemischen Komponenten ist somit eine charakteristische Eigenschaft verschiedener historischer Schreibmaterialien. Einerseits finden sich qualitativ unterschiedliche Bestandteile, bzw. Verunreinigungen, andererseits tauchen diese in völlig differierenden Quantitäten auf. Die Analyse dieser Bestandteile führt zu einer exakten Charakterisierung des Schreibmaterials, die in Form eines "Fingerprints" angegeben wird (Abb. 3-34). Das Beispiel von J.W. von Goethes Faust I/Faust II zeigt, wie Korrekturen an einem Manuskript zeitlich vom Originaltext entweder separiert oder zugeordnet werden können.

The writing and drawing materials in historical documents and manuscripts are manufactured since time immemorial with different ingredients according to diverse recipes. The variable content of chemical components is thus a characteristic property of different historical writing materials. On the one hand you find qualitatively different constituents and impurities; on the other hand they appear in different quantities. The analysis of the constituents allows a precise characterisation of the writing material and we obtain a fingerprint of it (Fig. 3-34). The example of J. W. von Goethes Faust I/II shows how the original manuscript and corrections to it can be correlated concerning time of creation.

Abb. 3-34: Analyse der für Faust I und Faust II verwendeten Tinten ("Fingerprint"). Vergleich der Tinten von GSA25/XVII,2,12; GSA25/XVII,1,2 (Faust I, Original und Korrekturen), sowie GSA25/XVIII,5,7 (Faust II). Die beiden Tinten, die in den beiden untersuchten Fragmenten zu Faust I untersucht wurden, weisen eine ähnliche Zusammensetzung auf. Die chemische Zusammensetzung der Korrekturtinte zu Faust I ähnelt sehr der Zusammensetzung der untersuchten Faust II-Tinte.

Fig. 3-34: Analysis of the inks used for writing Faust I and Faust II ("fingerprint"). Comparison of the inks of GSA25/XVII,2,12; GSA25,XVII,1,2 (Faust I, original and corrections) as well as GSA25/XVIII,5,7 (Faust II). The two inks used in the manuscript of Faust I show a similar composition. The chemical composition of the ink used for the corrections to Faust I looks alike that of the ink used for Faust II.

So lässt die Analyse der Faust Originalmanuskripte den Schluss zu, dass Goethe den ersten Teil erst verändert hat, als er bereits am zweiten Teil arbeitete. Hier sind jedoch noch weitere Untersuchungen erforderlich, um ein umfassendes Bild zu gewinnen.


Thus the analysis of the original Faust manuscript reveals that Goethe has modified the first part not until he worked on the second part. However, more investigations are necessary to get a more complete picture on this.

Kolorierung von Dürer Druckgraphiken / Colouration of Dürer’s art papers

Die Verwendung von natürlichen Materialien (z.B. Ocker) als Pigment ist seit prähistorischer Zeit bekannt. Rezepte für künstliche Pigmente (z.B. Bleiweiß) sind seit der Antike überliefert. Die Palette anorganischer Pigmente umfasst eine Vielzahl verschiedener Verbindungen, mit exakter chemischer Zusammensetzung. Pigmentanalysen dieser Art wurden auch schon in den Untersuchungen in Zusammenarbeit mit der Politecnico di Milano im Vatikanmuseum in Rom durchgeführt. Seinerzeit wurden antike Grabtücher studiert und die Echtheit von Kunstwerken bewertet. Ähnliche Röntgenfluoreszenzanalysen wurden jetzt auch bei den Dürergraphiken angewendet.

The use of natural materials (for example ochre) as pigments is well known since prehistoric times. Recipes for artificial pigments (e.g. white lead) are bequeathed since ancient times. The palette of inorganic pigments comprises a variety of different compounds with precise chemical composition. Such pigment analysis was already performed in the investigations together with the Politecnico di Milano in the Vatican museum in Rome. At that time antique shrouds were studied and the originality of works of art was evaluated. Similar X-ray fluorescence analysis measurements were now applied to Dürer engravings.
Da die historische Verwendung der Pigmente weitestgehend bekannt ist, können farbig gefasste Objekte indirekt datiert werden. Denn bestimmte Pigmente werden ab einer bestimmten Zeit verwendet (post quem), andere verschwinden bis zu einer bestimmten Zeit (ante quem). Übermalungen und Retuschen können vom Originalbestand separiert werden und nicht zuletzt ist es so möglich, Fälschungen zu entlarven.

Since the historical usage of pigments is largely well known, we can determine indirectly the manufacturing date of coloured objects. This is possible because certain of the pigments are used from a definite time on (post quem), others disappear by a certain time (ante quem). That way repainting and retouching can be discerned from the original material and it becomes possible to detect fake works of art.

Die beiden Werke in Abb. 3-35 zeigen zwei Kupferstiche von Albrecht Dürer "Petrus und Johannes heilen einen Lahmen" (aus: Kupferstichkabinett, Berlin), beide nachträglich koloriert. Mit Hilfe zerstörungsfreier RFA Analyse konnte gezeigt werden, dass die Kolorierung des ersten Kupferstiches (links) im 16. Jahrhundert ausgeführt wurde, während der zweite (rechts) Kupferstich erst im 19. Jahrhundert koloriert wurde.

The two works of art in Fig. 3-35 show two copper engravings of Albrecht Dürer "Petrus und Johannes heilen einen Lahmen" (from: Kupferstichkabinett, Berlin), both coloured at a later time. By means of non-destructive RFA analysis, it was shown that the colouration of the left copper engraving was made in the 16th century, whereas the right copper engraving was coloured in the 19th century.

Siliziumdriftdetektoren werden heute bereits in nennenswertem Umfang in der photonen- und elektronenangeregten Fluoreszenzspektroskopie eingesetzt. Sie lösen die traditionellen Si(Li)-Detektoren, die mit flüssigem Stickstoff betrieben werden müssen zunehmend ab.

Silicon drift detectors are today used on a large scale for photon and electron stimulated fluorescence spectroscopy. They replace the traditional Si(Li)-detectors which have to be cooled with liquid nitrogen.

Abb. 3-35: Kolorierte Kupferstiche von Albrecht Dürer. (Fotos: mit freundlicher Genehmigung des Kupferstichkabinetts, Berlin, SMPK). Links: "Petrus und Johannes heilen einen Lahmen, KK Berlin (Inv.-Nr. A 137). Die Kolorierung wurde im 16. Jahrhundert ausgeführt und enthält Azurit, Malachit, Bleiweiß, Zinnober, Ocker, Mennige, Goldtusche und Kreide. Rechts: "Petrus und Johannes heilen den Lahmen", KK Berlin (Inv.-Nr. A 551). Diese Kolorierung wurde im 19. Jahrhundert durchgeführt und enthält zusätzlich Zinkweiß und Chromgrünpigmente.

Fig. 3-35: Coloured copper engravings of Albrecht Dürer. (Photos: with kind approval by the Kupferstichkabinett, Berlin, SMPK). On the left: "Petrus und Johannes heilen einen Lahmen", KK Berlin, (Inv.-Nr. A 137). The colouration was made in the 16th century and contains azurite, malachite, white lead, cinnabar, ochre, red lead, gold water colour and crayon. Right hand side: "Petrus und Johannes heilen einen Lahmen", KK Berlin (Inv.-Nr. A 551). This colouration was carried out in the 19th century and contains in addition zinc oxide and pigments of chromium green.

Die Dr. Johannes Heidenhain-Stiftung unterstützt unsere Arbeiten seit 1996.

The Dr. Johannes Heindenhain-Stiftung has supported our work since 1996.

MPE Jahresbericht 2002 / MPE Annual Report 2002


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