Het compacte en krachtige röntgenapparaat waaraan onderzoekers van de TU Eindhoven jaren hebben gebouwd en getest, werkt nu. Daarmee is ín materialen te kijken, van schilderijen tot computerchips.


Update 9 december: enkele aanvullingen en wijzigingen doorgevoerd.
 

Bij de term ‘röntgen’ zullen de meeste mensen misschien denken aan het apparaat in het ziekenhuis, waarmee artsen patiënten doorlichten om te kijken of een bot gebroken is. Maar het apparaat dat hoogleraar Jom Luiten en zijn mensen hebben gebouwd, geeft röntgenstraling af die traploos instelbaar is: van nauwelijks doordringende zachte röntgenstraling tot zeer diep in materialen doordringende harde röntgenstraling. 

Daarmee wordt het mogelijk om niet alleen door maar ook in objecten te kijken en precies hun samenstelling te bepalen. Dit is niet alleen van groot belang voor medische diagnostiek maar ook voor onderzoek aan kunstvoorwerpen, computerchips of stukken metaal.

Het idee voor het compacte röntgenapparaat kwam jaren geleden van Luiten en kunsthistoricus Joris Dik, hoogleraar Materials in Art & Archaeology aan de TU Delft. Dik was op zoek naar een nieuwe manier om met röntgenstralen in schilderijen te kijken. Vaak zitten er onder de zichtbare verflaag nog oudere lagen, en het is voor kunsthistorici interessant om die te bestuderen. 

Dat kan met röntgenstraling waarvan de indringdiepte in de verflagen precies kan worden ingesteld. Maar om schilderijen daaraan te onderwerpen, moeten onderzoekers nu nog met het kwetsbare schilderij onder de arm naar een synchrotron. Dat is een ring waarin elektronen met een rotvaart rondgaan — bijna de lichtsnelheid. Bij het door de bocht gaan van de elektronen komt röntgenstraling vrij van een golflengte en een kwaliteit die geschikt is om details binnenin schilderijen af te beelden.

Probleem is alleen dat synchrotrons razend dure apparaten zijn, waarvoor vaak een enorm gebouw nodig is. En er zijn er maar een paar (wereldwijd enkele tientallen volgens Wikipedia), dus daarvoor zijn enorme wachttijden. Daarbij is gesleep met schilderijen niet wenselijk. ‘Bovendien is dat door de omvang van de schilderijen vaak niet eens mogelijk en vanwege hun waarde ook niet toegestaan’, zegt Luiten. Vandaar de wens om een compact, zelfs verplaatsbaar röntgenapparaat te ontwikkelen.

Past in een zeecontainer

Dat is nu gelukt. Op de TU Eindhoven, in gebouw Qubit, bouwden Luiten en zijn mensen een röntgenapparaat dat in één ruimte past, of eventueel in een zeecontainer, om aan te geven dat het verplaatsbaar is. De groep heeft zelfs ideeën hoe het apparaat nog compacter te maken is, zegt Luiten in een nieuwsbericht van de TU/e.

Het apparaat is drie bij anderhalve meter groot en maakt nauwbandige röntgenstraling: dat wil zeggen dat de straling goed gedefinieerd is bij één golflengte. Die golflengte is gemakkelijk in te stellen; dat is nodig om verschillende materialen te kunnen analyseren. ‘Gewoon met een draaiknop kunnen wij de golflengte variëren’, zegt Luiten in het nieuwsbericht.

Zo werkt het

Het hart van het röntgenapparaat in Eindhoven wordt gevormd door een lineaire elektronenversneller. Het bouwen van versnellers is het specialisme van de groep van hoogleraar Jom Luiten. De elektronen worden versneld tot bijna de lichtsnelheid, bijna driehonderd miljoen meter per seconde. Vervolgens worden krachtige laserpulsen recht tegen deze stroom elektronen in gestuurd; zie de afbeelding hierboven. De meeste elektronen zullen ongehinderd rechtdoor vliegen, maar met het kleine deel dat een interactie heeft met een laserpuls, gebeuren interessante dingen. 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 tienduizendmaal zo korte golflengte heeft als het inkomende laserlicht. Dit betekent (golflengte is omgekeerd evenredig met energie) dat de fotonen een navenant hogere energie hebben: die kan oplopen tot 100 keV. 

Meer details zijn te lezen in het artikel ‘Nederlanders bouwen tafelmodel röntgenbron’ dat we in 2018 publiceerden.

Veel belangstelling

De toepassingen van het compacte röntgenapparaat liggen voor het oprapen. Vanuit de kunstwereld is er veel belangstelling, zegt Luiten. ‘Men wil schilderijen van binnen onderzoeken, sculpturen en andere kunstvoorwerpen, maar ook perkamentrollen en muurschilderingen.’

Vanaf het begin van het project zijn metaalkundigen van de TU Delft betrokken. Want met harde röntgenstraling kun je ook heel goed de microstructuren binnenin metalen karakteriseren.

Ook ASML volgt het onderzoek op de voet, zegt Luiten. ‘In de halfgeleiderindustrie is behoefte aan technieken om een siliciumplak te inspecteren tijdens de productie van chips. Want die bestaan tegenwoordig uit tientallen laagjes van verschillende materialen. Wat nog niet kan, maar wat men wel wil, is tussentijds checken of de laagjes goed op elkaar zitten.’

Een derde toepassingsgebied is medisch van aard. Met de juiste contrastmiddelen, en de nauwbandige röntgenbron uit Eindhoven, is aderverkalking in een vroeg stadium in beeld te brengen. ‘Als je dat slim doet, zijn haarscherp de aderen en haarvaten af te beelden’, aldus Luiten. Aan het Erasmus MC in Rotterdam lopen de eerste experimenten hiermee.

Geen concurrentie met synchrotrons

Het nieuwe apparaat is nog niet klaar voor gebruik. Het werkt en levert, zoals dat heet, het eerste licht, maar dat is nog bescheiden, zegt Luiten. ‘We willen de frequentie van de pulsen nog opvoeren naar 1 kilohertz, dat halen we nu nog niet. Ook moet de energie van de fotonen nog verder omhoog.’

Gaat Eindhoven dan nu de concurrentie aan met de synchrotrons van deze wereld? ‘Nee hoor. Wij concurreren helemaal niet met synchrotrons. Ze zijn daar juist blij met ons, want wij ontlasten hen een beetje. Want een synchrotron is gemaakt om veel intensere bundels te produceren. Als je daar een schilderij in zet, brand je daar een gat in. Een synchrotron moet daarvoor op lagere intensiteit draaien, maar dat is eigenlijk zonde.’

 

Openingsfoto: het TU/e-team in het lab met hun compacte röntgenapparaat. Van links naar rechts: Coen Sweers, Peter Mutsaers, Jom Luiten en Ids van Elk. Foto: Bart van Overbeeke