Nederlandse universiteiten en bedrijven gaan een compact röntgenapparaat bouwen dat straling voortbrengt van hoge energie. Hiermee is onderzoek te doen naar materialen in kunstvoorwerpen, metalen en dergelijke. Tot nu toe zijn materiaalonderzoekers nog vaak afhankelijk van grote, dure synchrotrons, waar er maar weinig van zijn. Komende week gaat het project Smart*Light officieel van start.

De bekendste toepassing van röntgenstraling is natuurlijk te vinden in het ziekenhuis. Een gebroken bot wordt haarscherp in beeld gebracht met de gewone röntgenfoto. Sinds de jaren zeventig is daar de CT-scan bijgekomen, een driedimensionale weergave van het binnenste van het lichaam, gebaseerd op röntgenfoto’s vanuit verschillende hoeken.

Maar röntgenstraling (elektromagnetische straling met hogere energie dan zichtbaar licht) is ook heel interessant voor materiaalonderzoekers. Zo lichten kunsthistorici graag schilderijen door om te zoeken naar verflagen die de schilder heeft aangebracht voordat hij de uiteindelijk schildering neer kwastte. En metaalkundigen die onderzoek doen naar bijvoorbeeld vermoeiing of corrosie zijn benieuwd welke microstructuren in het bezweken of geroeste materiaal een rol spelen bij deze desastreuze processen.
 

Hoge energie

Voor dit soort onderzoek is röntgenstraling nodig van hoge energie: 100 keV, veel hoger dan wat in het ziekenhuis wordt gebruikt (de CT-scanner heeft fotonen van rond de 30 keV). Om die hoog energetische röntgenstraling te maken zijn synchrotrons, grote apparaten die elementaire deeltjes versnellen en die als bijproduct röntgenstraling afgeven. Het grote probleem is dat er daar maar enkele tientallen van zijn op de wereld (Grenoble is een bekende) en dat die dus bijna altijd zijn volgeboekt. En in het geval van onderzoek naar schilderijen is het ook allesbehalve ideaal om met die vaak peperdure voorwerpen te gaan slepen.
 

Kleiner dan een synchrotron

Na discussies met materiaalonderzoekers van de TU Delft vatte de TU Eindhoven het plan op om een apparaat te gaan bouwen dat veel kleiner en goedkoper is dan een synchrotron, maar dat toch röntgenstraling met fotonen van hoge energie maakt. Het project waarin dat moet gebeuren heet Smart*Light.

In het apparaat staat straks een botsingsproces centraal, waarbij een intense laserbundel frontaal op een elektronenbundel botst. Daarbij gaan de meeste fotonen van de laserbundel gewoon rechtdoor, maar een klein deel kaatst terug. Bij zo’n botsing dragen de elektronen, die met bijna de lichtsnelheid bewegen, energie over aan de fotonen (zie ook de figuur). Die krijgen daardoor een veel hogere energie, waardoor ze röntgenstraling worden. Bijkomend voordeel is dat die bundel coherent is, dus alle golven (samenhangend met de losse fotonen) lopen netjes in fase.

Dit fysische botsingsproces heet Inverse Compton Scattering en is al heel lang bekend. ‘Maar de technologie om hiermee een apparaat te bouwen is pas een paar jaar zo ver’, vertelt Jom Luiten, hoogleraar Coherence and Quantum Technology aan de TU Eindhoven en projectleider van Smart*Light. De benodigde fysica is helemaal begrepen, dus in het project gaat het vooral om het slechten van de technologische uitdagingen.
 

Botsen en vasthouden

Een van die uitdagingen – misschien wel de grootste – is om de elektronenbundel en de laserbundel met elkaar te laten botsen én die situatie vast te houden. Want beide bundels hebben een diameter van slechts 10 µm, pakweg een tiende van de dikte van een menselijke haar. ‘Onze aanpak is om met bredere bundels te beginnen die elkaar overlappen en dan de bundels steeds smaller te maken. Hiervoor is waarschijnlijk geavanceerde regeltechniek nodig’, vertelt Luiten.
 

Schilderijen doorlichten

Bron: http://photon-science.desy.de

De toekomstige gebruikers van het te bouwen apparaat zitten ook in het project. Een ervan is hoogleraar Joris Dik van de TU Delft, die onderzoek doet naar kunstvoorwerpen. Zo bestaan schilderijen soms uit meerdere lagen verf, doordat de maker over zijn eigen werk heen heeft geschilderd (zie het schilderij van Vincent van Gogh rechts; na röntgenanalyse bleek daaronder een portret van een vrouw te zitten). Röntgenstraling gaat de verf binnen en kaatst terug; de manier waarop wordt door detectoren vastgelegd en dat zegt iets over kristalstructuur van pigmenten of over de elementen die in de verf zitten. ‘Zoals een geoloog in de aardkorst kijkt, kijken wij in de ontstaansgeschiedenis van een schilderij’, aldus Dik.
 

Vermoeiiing en corrosie van metalen

Maar röntgenstraling reikt verder. Aan de TU Delft vindt ook onderzoek naar metalen plaats. Röntgenstraling dringt een metaal binnen en verstrooit op een bepaalde manier aan de atomen. Dat geeft informatie over onder meer het kristalrooster en de verschillende fasen in dat metaal. ‘We krijgen zo meer begrip over de interne structuur van een metaal, bijvoorbeeld hoe dat materiaal vervormt. Met die kennis kunnen we weer betere materialen ontwerpen’, aldus materiaalwetenschapper Hessel Castricum van de TU Delft.

Bij het project Smart*Light zijn ook bedrijven betrokken, zoals VDL-ETG dat de kennis voor de lineaire elektronenversneller levert, en universiteiten in België. Voor een overzicht, zie het persbericht van de TU Eindhoven. Het project gaat volgende week dinsdag, 23 januari, officieel van start met een symposium voor onderzoekers.

In het aankomende februarinummer van De Ingenieur brengen wij een uitgebreid artikel over het Smart*Light-project.

Beeldmateriaal TU Eindhoven / Smart*Light Project