Kunsthistorici willen graag in schilderijen kunnen ‘kijken’, materiaalonderzoekers in metalen. Röntgenstraling van hoge energie maakt dat mogelijk, maar daarvoor moeten wetenschappers wel afreizen naar speciale faciliteiten. Het project Smart*Light, dat eind januari van start ging, wil daar verandering in brengen met een betaalbare, compacte röntgenbron.

Als je wilt begrijpen waarom een materiaal zich op een bepaalde manier gedraagt, of het nu metaal is of verf op een oud schilderij, moet je er ín kijken. Dat kan met harde röntgenstraling, die wordt opgewekt in gigantische, dure apparaten, genaamd synchrotrons. In zo’n synchrotron – met een omtrek van honderden meters – worden elektronen versneld in een cirkelvormige buis, waarbij röntgenstraling vrijkomt die geschikt is om materialen mee te analyseren.

Het synchrotron SOLEIL in Grenoble, Frankrijk,
maakt harde röntgenstraling door elektronen te
versnellen in een cirkelvormige pijp.
Foto ESRF/A. Petricola

Probleem is alleen dat er in heel Europa maar een paar synchrotrons zijn. In Grenoble, Frankrijk, staat bijvoorbeeld SOLEIL; ook zijn er exemplaren te vinden in Berlijn en in het Zwitserse Villigen. ‘Geen enkel museum of particuliere eigenaar wil daar een schilderij dat miljoenen heeft gekost naartoe slepen’, zegt prof.dr.ir. Jom Luiten, hoogleraar Coherence and Quantum Technology aan de TU Eindhoven en mede-initiatiefnemer van project Smart*Light. ‘Dat gesleep met kunst naar een plek die daar qua omstandigheden helemaal niet voor geschikt is, dat wil je niet’, valt mede-initiatiefnemer prof.dr. Joris Dik hem bij, kunsthistoricus en hoogleraar Materials in Art & Archaeology aan de TU Delft.

Er is dus behoefte aan een vergelijkbare straling, maar dan uit een veel compacter apparaat. Het idee van het Nederlands-Vlaamse project Smart*Light is om in drie, hooguit vier jaar een röntgenbron te bouwen die de kwaliteit van de röntgenstraling van een synchrotron benadert, maar past op een optische tafel. Met een beetje moeite moet de machine zelfs te transporteren zijn, zodat kunstonderzoekers of geologen in het veld hem ook kunnen gebruiken.


Nuttige spin-off

In het apparaat van Luiten en collega’s zal een sterke laserstraal frontaal botsen op een bundel elektronen die met bijna de lichtsnelheid bewegen. Hierbij missen vrijwel alle fotonen en elektronen elkaar, maar met het kleine deel dat wél op elkaar botst, gebeuren interessante dingen (zie illustratie rechts). Het laserlicht brengt de elektronen aan het trillen, die daardoor licht uitzenden in de richting waar het laserlicht vandaan kwam. Doordat de elektronen met bijna de lichtsnelheid bewegen, treden bovendien relativistische effecten op, waardoor het uitgezonden licht een tienduizend maal zo korte golflengte heeft als het inkomende laserlicht. Ook hebben de fotonen een navenant hogere energie: die kan oplopen tot 100 keV. (Ter vergelijking: de CT-scanner in het ziekenhuis zit rond de 30 keV.) Die straling dringt materialen binnen; uit de manier waarop fotonen door het materiaal worden verstrooid, is vervolgens veel af te leiden over defecten, de aanwezige elementen en de microscopische structuur van het materiaal.
 

CERN

De onderzoeksgroep van Luiten heeft veel ervaring met deeltjesversnellers, onder meer dankzij het cyclotron van de Eindhovense universiteit. De bundels deeltjes die daaruit komen, worden gebruikt voor materiaalonderzoek en voor het maken van isotopen voor medische beeldvorming. Uit een gesprek dat Luiten had met VDL-ETG kwam naar voren dat dit Nederlandse bedrijf voor CERN een nieuwe lineaire elektronenversneller had gemaakt voor de Compact Linear Collider (CLIC). Nu het erop lijkt dat dit project voorlopig niet doorgaat, wil VDL-ETG de technologie graag elders gebruiken om zo nuttige spin-offs te laten zien van haar werk.


Eenvoudig te bedienen

Qua fysica is helemaal duidelijk hoe de röntgenbron gaat werken, maar er zijn nog wel technologische uitdagingen. Om te beginnen moet een elektronenbundel van slechts 10 mm breed precies frontaal gaan botsen op een al even smalle bundel laserlicht. Dit denken Luiten en collega’s voor elkaar te krijgen door de bundels eerst een stuk breder te maken, zodat de kans veel groter is dat ze elkaar raken. Is dit eenmaal het geval, dan kunnen de bundels langzaam smaller worden gemaakt totdat de juiste intensiteit is bereikt. Hier moet een geautomatiseerd meet-en-regelmechanisme voor gaan zorgen.

Als de ingenieurs in Eindhoven dit eenmaal voor elkaar hebben, moet hier een apparaat omheen worden gebouwd. ‘In zo’n apparaat gebeuren heel ingewikkelde dingen, maar het moet eenvoudig te bedienen zijn’, zegt Luiten. ‘Vergelijk het met een elektronenmicroscoop; daarmee kunnen onderzoekers ook na een relatief eenvoudige instructie uit de voeten.’ De veiligheid van het apparaat krijgt eveneens aandacht, vanwege de intense laserbundels en röntgenstralen.
 

Aantrekkelijker geprijsd dan synchrotron

Het apparaat zal ongeveer 5 miljoen euro gaan kosten, schat Luiten. Veel geld, maar vergelijkbaar met de prijs van een flinke elektronenmicroscoop, een ander instrument voor het doen van materiaalonderzoek dat inmiddels onmisbaar is. En veel aantrekkelijker geprijsd dan een synchrotron van honderden miljoenen.

Zoals een geoloog in de aardkorst kijkt, kijken wij in de ontstaansgeschiedenis van een schilderij

De Smart*Light-röntgenbron is in de eerste plaats geschikt voor het doen van allerhande onderzoek naar materialen, variërend van ­metalen (zie het kader ‘Vermoeide metalen’ hieronder) tot bepaalde steenlagen waar geologen zich op richten. Wat de schilderijen betreft, is het plan om het röntgenapparaat te gebruiken bij onderzoek naar en de restauratie van enkele topwerken van Rubens, Vermeer, Bosch en Rembrandt. Met Smart*Light wordt het voor het eerst mogelijk om de chemische en fysische conditie van kunstvoorwerpen helemaal in kaart te brengen (zie het kader ‘Kijken in kunst’ hieronder). Bovendien is het bij gebruik van röntgenstraling niet nodig om monsters te nemen. (Jim Heirbaut)
 

Onderzoek met röntgenstraling liet zien dat zich onder dit door Rembrandt van Rijn geschilderde portret nog een portret bevindt. bron R. Gerritsen, J. Dik, www.rembrandt.ua.ac.be

 

Kijken in kunst
Een van de toekomstige gebruikers van de Smart*Light-röntgenbron is Joris Dik. Hij is hoogleraar aan de TU Delft en doet onderzoek naar kunstvoorwerpen, waaronder schilderijen. Bij een typisch onderzoek gaat röntgenstraling de verf binnen en kaatst terug in detectoren. De manier waarop de fotonen verstrooien, verraadt dan de kristalstructuur van pigmenten. Met een andere röntgentechniek, röntgenfluorescentie (XRF), is direct na te gaan welke elementen er in de verf zitten.
‘Zoals een geoloog in de aardkorst kijkt, kijken wij in de ontstaansgeschiedenis van een schilderij’, zegt Dik. Want ook bekende kunstenaars schilderden regelmatig over een eigen werk heen omdat ze niet helemaal tevreden waren. ‘Je moet het doek zien als het laboratorium van de schilder. Iemand als Picasso schilderde soms wel vier of vijf keer over een eerdere laag heen. Ga je naar de onderliggende lagen, dan kom je zo ongeveer zijn hele zoektocht naar het kubisme tegen.’
Dik gebruikt voor zijn kunstonderzoek onder meer apparaten waar gewone röntgenbuizen in zitten. ‘Dat zijn echter net waxinelichtjes als je ze vergelijkt met een zichtbaar lichtbron.’ Daarom hebben hij en zijn collega’s behoefte aan een bron van hoogenergetische röntgenstraling die zich dicht bij huis bevindt en vaak beschikbaar is. Daarmee kunnen ze in schilderijen op zoek naar pigmenten die in de loop van de tijd zijn geoxideerd, waardoor de kleuren van een schilderij zijn veranderd, of naar faseovergangen in de materialen. ‘We willen graag het proces van veroudering beter begrijpen. Hoe meer onderzoek we hiernaar doen, hoe meer we erachter komen dat een schilderij een dynamisch geheel is.’

 

Breuk in een aluminium pedaalarm van een fiets, ontstaan door vermoeiing. Bron Wikipedia

Vermoeide metalen
Intense röntgenstraling wordt veel gebruikt bij onderzoek naar metalen. De straling dringt een metaal binnen en wordt op een bepaalde manier door de atomen verstrooid. Dat levert informatie op over onder meer het kristalrooster en de verschillende fasen in dat metaal. Zo leren materiaalonderzoekers meer over de interne structuur van een metaal, bijvoorbeeld hoe dat materiaal vervormt. Met die kennis zijn weer betere materialen te ontwerpen.
‘Aan de TU Delft hebben wij voor dit type onderzoek een speciale röntgenafdeling waar we met standaard röntgenbuizen materialen bekijken’, vertelt materiaalwetenschapper dr. Hessel Castricum van de TU Delft. ‘Maar als we echt diep in het materiaal willen kijken, moeten we met onze monsters naar een synchrotron, zoals dat in Grenoble. Dat betekent dat we een onderzoeksvoorstel moeten indienen en maar moeten afwachten of het wordt toegekend. Gebeurt dat inderdaad, dan krijg je vaak niet meer dan een paar dagen meettijd, waarvan je soms al één dag kwijt bent aan het bouwen van je proefopstelling. Het zou zoveel gemakkelijker zijn als we in-house een goede bron van hoge energie röntgenstraling hadden staan.’
Dit laatste is helemaal belangrijk als onderzoekers voor langere tijd de structuur van een metaal willen volgen, zoals bij verouderingsprocessen van staal. Dat duurt maanden en zo’n meting werkt niet als je alles steeds opnieuw moet opzetten. Hetzelfde geldt voor corrosie. ‘Daar proberen we iets tegen te doen door een coating aan te brengen. Cruciaal voor de werking daarvan is wat er gebeurt op het grensvlak tussen coating en metaal. Dat kunnen we bekijken met intense röntgenstraling. Ook voor dit onderzoek geldt: we willen graag vaker kunnen meten, bijvoorbeeld om een nieuwe coating te vergelijken met een eerdere versie.’
En dan is er nog vermoeiing, in de volksmond metaalmoeheid, waarbij een brosse breuk optreedt op een moment dat de belasting nog vrij klein is. Zo’n breuk is het gevolg van het vaak opnieuw belasten van het materiaal en hangt samen met een proces op microscopisch niveau dat nog niet helemaal wordt begrepen. Duidelijk is wel dat de (economische) gevolgen van vermoeiing gigantisch kunnen zijn; denk maar aan een brug of vrachtschip dat doormidden breekt.


Openingsillustratie TU Eindhoven