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Kristalle züchten
![](https://corporate.webassets.siemens-healthineers.com/bb1bb374ab9b579d/89f5d7cf1a09/v/ab48f7fefa76/filled_ampoules.jpg)
Kristalle züchten: eine reine Teamleistung
Die nächste Generation CT-Detektoren von Siemens Healthineers ist mit Cadmiumtellurid-Kristallen ausgestattet.1 Mit Hilfe dieses neuartigen Materials wird zum ersten Mal die Anwendung von photonenzählenden Röntgendetektoren in der klinischen Routine Realität.
Ein Kristall ist ein wichtiges Symbol für Durchblick und Klarheit. Bergkristalle und Edelsteine gelten seit jeher als kostbar und wurden als Symbole für Reichtum und überragende Bedeutung in Kronen und Schmuck zur Schau gestellt. Damals auf natürlichem Wege entstanden, verlangt ihre heute mögliche künstliche Herstellung vor allem Sauberkeit, Geduld und Perfektion.
Die größte Menge an technisch genutzten Kristallen stellt Silizium, das als Grundlage für Halbleiterbauelemente wie Mikrochips im täglichen Leben allgegenwärtig ist. Daneben sind heute zahllose andere kristalline Substanzen in Gebrauch, die für bestimmte Zwecke gezielt gezüchtet werden.
![Silicon is the most commonly used crystal.](https://corporate.webassets.siemens-healthineers.com/87c61878a628dfa0/1fcefdc64841/v/5c2f4b777cc5/Silicone_wafer.jpg)
Was sind kristalline Substanzen?
Kristalle röntgen und Röntgen mit Kristallen
Analysiert man die so auf einem Leuchtschirm erscheinenden Beugungsbilder, kann man aus der Anordnung und den Abständen der Atome untereinander Rückschlüsse auf die besonderen Eigenschaften eines Festkörpers ziehen. Für diese bahnbrechenden Erkenntnisse in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden mehrere Nobelpreise verliehen – unter anderem an Max von Laue, William Henry Bragg und dessen Sohn William Lawrence Bragg. Man erkannte jetzt, dass ein Kristall seine besonderen Eigenschaften der absolut regelmäßigen Anordnung von Atomen oder Molekülen eines Materials verdankt.
Feste Körper
![Diamonds are one of the most valuable natural resources to this day](https://corporate.webassets.siemens-healthineers.com/f7c70d47151212af/6b1d49c6418e/v/b62355240aa2/Diamond.jpg)
Kleine Störung – große Wirkung
Ein anschauliches Bild für die regelmäßige Anordnung der Atome im Festkörper sind die Pyramiden von Orangen, die vor einem Obststand auf dem Marktplatz aufgestapelt sind. Die Anordnung der Früchte lässt sich – zumindest in Gedanken – beliebig weit fortsetzen. Vier Früchte bilden in einer Ebene ein Quadrat, eine fünfte sitzt in dessen Mitte. Jede Orange im großen Haufen ist gleichzeitig eine Ecke im benachbarten Quadrat und die Spitze einer kleinen Pyramide. Was klingt wie ein Kinderspiel hat eine große Bedeutung. Denn mit der Anordnung der Bausteine, also der Atome, sind grundlegende Eigenschaften verknüpft: elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen.
Diamanten gehören bis heute zu den wertvollsten Bodenschätzen, obwohl sie eigentlich nur aus gewöhnlichem Kohlenstoff bestehen. Die absolut gleichmäßige Anordnung der Atome ist es, die das Material so besonders macht. Sobald sich ein fremdes Element – im Bild vom Orangenstapel zum Beispiel eine Melone – in den Haufen schmuggelt, bricht die Regelmäßigkeit ab. Der Haufen bekommt einen Knick, die benachbarten Früchte liegen nicht mehr schnurgerade in jeder Richtung hintereinander und die absolute Reinheit ist zerstört.
Verbesserte Röntgenbilder dank neuartiger Kristalle
Die nächste Generation CT-Detektoren von Siemens Healthineers ist mit Cadmiumtellurid-Kristallen ausgestattet. Diese Kristalle ermöglichen es, Röntgenstrahlung direkt in elektrische Signale umzuwandeln. Letztere sind die Grundlage für die nachfolgende Berechnung und Auswertung der medizinischen Schnittbilder. Je besser die Eingangssignale, desto besser die am Ende der Verarbeitungskette resultierenden Bilder, anhand derer Radiolog*innen Diagnosen erstellen. Mit Hilfe dieses neuartigen Materials wird zum ersten Mal die Anwendung von photonenzählenden Röntgendetektoren in der klinischen Routine Realität.
Gleichzeitig wird die Auflösung der CT-Bilder erhöht und das Pixelrauschen verringert. In der Folge kann die Strahlendosis, die ein Patient während der Untersuchung erhält, weiter verkleinert werden. Die Funktionsfähigkeit eines photonenzählenden Detektors wurde bereits um die Jahrtausendwende im Labor nachgewiesen, doch um die Technologie auf dem Medizintechnikmarkt zu etablieren, gilt es, die benötigten Kristalle nicht mehr nur grammweise im Labor herzustellen, sondern in großen Mengen, die mittelfristig für tausende CT-Systeme ausreichen.
Photonenzählende Röntgendetektoren
Der Kristallzüchtungsprozess beginnt mit der Vorbereitung der Ampullen.
Sie werden zunächst mit einer Kohlenstoffbeschichtung versehen, die als chemische Barriere und Anti-Haft-Beschichtung dient.
![In a clean room, the ampoules are filled with cadmium and tellurium.](https://corporate.webassets.siemens-healthineers.com/30cc2184218c2d63/efc0a39577c3/v/0cb5f5ec56b2/Gallery3.jpg)
Nach der Reinigung und Trocknung werden die Ampullen in einem Reinraum mit Cadmium und Tellur gefüllt.
![The ampoules are sealed at 3000° Celsius.](https://corporate.webassets.siemens-healthineers.com/489649e57a3c0eee/31dfa0cace0a/v/d0fdb719c12e/Gallery4.jpg)
Die gefüllten Ampullen für die Lösemittelsynthese und die Polykristallsynthese werden anschließend mit einer offenen Flamme bei etwa 3.000° Celsius aufwendig versiegelt.
![Each sealed ampoule is evaluated for residual stress.](https://corporate.webassets.siemens-healthineers.com/6611d47ee2d79973/ffa6bc24b2f8/v/6faf135d2751/Gallery5.jpg)
Jede versiegelte Ampulle wird auf Eigenspannung untersucht.
![A furnace has been designed for solvent synthesis.](https://corporate.webassets.siemens-healthineers.com/bc6dcb38a2935b19/659d76719454/v/4553270ffba2/Gallery6.jpg)
Lösemittelsynthese und Polykristallsynthese laufen parallel zueinander. Die Polykristallsynthese findet in einem speziell dafür vorgesehenen Ofen statt.
![A perfect crystal serves as a seed for the actual crystal growth process.](https://corporate.webassets.siemens-healthineers.com/c43607c2a9b24728/7b58b36c92b5/v/52a1763365aa/Gallery7.jpg)
Dann wird der Polykristall zusammen mit einem Keim eines zuvor gezüchteten perfekten Kristalls und dem Lösungsmittel in eine neue Ampulle für den eigentlichen Kristallzüchtungsprozess gegeben und wieder verschlossen.
![It takes 10 weeks for the crystal to grow.](https://corporate.webassets.siemens-healthineers.com/89e4a6cb3454af16/995ad71d114a/v/c11eeaa7b38f/Gallery8.jpg)
Die Ampullen wandern dann 10 Wochen lang langsam durch das Heizelement - von unten nach oben, damit der Kristall von unten nach oben wachsen kann.
![The crystal then spends another week in the annealing furnace.](https://corporate.webassets.siemens-healthineers.com/047448a7ec15f2bb/14764d1641bd/v/f196011d60ba/Gallery9.jpg)
Dann wird der Kristall aus der Ampulle entnommen und für eine weitere Woche in den Glühofen gegeben, um die Spannungen im Material zu verringern und die elektrischen Eigenschaften einzustellen.
![The final cadmium telluride crystal is tested for its quality.](https://corporate.webassets.siemens-healthineers.com/a48e8f3e05a709b3/b27f355c1901/v/0ccfdcf921a6/Gallery10.jpg)
Der nun fertige Cadmiumtellurid-Kristall wird schließlich auf seine Qualität geprüft.
Der Kristallzüchtungsprozess beginnt mit der Vorbereitung der Ampullen.
Kristalle züchten: High-Tech-Kunststück und Teamleistung
Auf dem Weg zur Serienproduktion mussten die Ingenieurinnen und Ingenieure bei Siemens Healthineers zahlreiche Hürden überwinden. Zunächst wurde ab 2011 eine enge Partnerschaft mit Acrorad in Japan eingegangen – eines der wenigen Unternehmen weltweit, das die Kunst der Kristallzucht mit höchster Qualität beherrscht. Am Standort Forchheim wurde zudem unter der Leitung von Dr. Christian Schröter ein eigenes Labor zur Entwicklung der neuartigen Kristalle eingerichtet: das 2020 eröffnete “Crystal Center”. Das dort gezüchtete Cadmiumtellurid weist inzwischen einen Reinheitsgrad von 99,9999 Prozent auf und das darf wahrlich als reine Teamleistung bezeichnet werden.
Bislang war es nicht möglich, Cadmiumtellurid-Kristalle mit der erforderlichen Reinheit, Homogenität und Reproduzierbarkeit herzustellen.
Dr. Christian Schröter, Projektleiter Direktumwandlungsmaterialien, Siemens Healthineers
![Siemens Healthineers Forscher sind für den „Deutschen Zukunftspreis“ nominiert.](https://corporate.webassets.siemens-healthineers.com/aff4f07940e4854a/d7fa161a10af/v/fb8589b24888/DZP_Logo_de.jpg)
Deutscher Zukunftspreis
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