TU/e-onderzoekers krijgen ‘draagbaar’ harde röntgenapparaat aan de praat

Wat begon als de wens om beter in schilderijen te kunnen kijken met harde röntgenstraling (golflengtes kleiner dan een nanometer) heeft geleid tot een kleine ‘synchrotron’ – 1,5 x 3 meter in plaats van een heel gebouw – die harde röntgen opwekt in een heel smal golflengtebereik en precies kan worden afgestemd op het materiaal dat je wil bestuderen.

Om in de lagen van schilderijen te kunnen kijken, heb je normaal gesproken een synchrotron nodig. Die hebben enorme afmetingen en zijn vreselijk duur en daardoor eigenlijk altijd volgeboekt voor onderzoek.

Pratende met kunsthistoricus en materiaalkundige Joris Dik, kwam Jom Luiten, hoogleraar Coherence and Quantum Technology, op een aantal ideeën voor een kleiner apparaat dat ook verstembare, nauwbandige harde röntgenstraling kan opwekken, met een behoorlijk hoge intensiteit en met een opstelling ter grootte van een optische labtafel.

Hoe werkt deze compacte, lineaire röntgenbron?

Er zijn op dit moment twee röntgenbronnen die veel gebruikt worden: relatief zwakke bronnen (röntgenbuizen, gebruikt in het ziekenhuis en bij de tandarts) en enorm krachtige (synchrotron). Daar komt nu een middenklasser bij met de nieuwe compacte lineaire bron van Luiten en zijn team.

Röntgenstraling wordt gegenereerd door snelle elektronen hard op en neer te ‘schudden’. In een röntgenbuis worden de elektronen abrupt afgeremd in een materiaal, terwijl in het synchrotron de elektronen extreem hard door de bocht gaan in een sterk magneetveld.

Bij de TU/e-middenklasser trillen de voortrazende elektronen in het veld van een intense laserpuls. “Het natuurkundige principe waarmee de elektronen heen en weer schudden, is wel hetzelfde als bij een grote synchrotron, of ze dat nu op kilometer- of micrometerschaal doen”, legt Luiten uit.

‘Slechts’ 99,995 procent van de lichtsnelheid

Door te werken met een zeer compacte lineaire bron, accepteert het team een lagere intensiteit dan in een ronde synchrotron. Zo racen de deeltjes in deze lineaire bron met 99,995 procent van de lichtsnelheid en doen ze dat in de grote versies (zoals ESRF) met 99,9999995 procent van de lichtsnelheid.

Luiten: “Dit mid-range vermogen maakt deze bron ook zo geschikt om in schilderijen, silicium wafers of biologisch materiaal te kijken, zonder het te beschadigen. Daarnaast is deze bron bijzonder omdat de energie van de röntgenstraling heel nauwkeurig af te stemmen is op het materiaal dat je wilt detecteren. In feite kun je hem ‘tunen’ om elk gewenst element van het periodiek systeem in beeld te brengen. Daarnaast is de lichtbundel behoorlijk coherent. Juist daardoor zijn de metingen die je ermee kan doen van grote nauwkeurigheid.”

Naast het onderzoek van het Smart*Light 2.0 consortium wordt er op nog een stuk of vijf plaatsen op de wereld gewerkt aan een compacte ‘middenklasse’ röntgenbron. Maar geen daarvan heeft een deeltjesversneller die zo compact is als deze en waarvan de energie zo snel en eenvoudig kan worden gevarieerd.