Nederlandse en Vlaamse onderzoekers werken samen aan een uniek röntgenapparaat: de Smart*Light. Op een paar vierkante meter moet het materiaalanalyses gaan uitvoeren, die nu nog alleen in synchrotrons mogelijk zijn.

Het Smart*Light-project heeft als ambitieus doel een bench­top-röntgenapparaat te maken met een röntgenenergie van 100 keV of meer, die niet of nauwelijks onderdoet voor die van een synchrotron. ‘Maar de Smart*Light is geenszins bedoeld om die te vervangen’, benadrukt mede-initiator Jom Luiten van de Techni­sche Universiteit Eindhoven. ‘We willen het grote gat tussen de huidige labbronnen en de synchrotrons vullen.’

Het project startte begin 2018 en ontving € 2,85 miljoen subsidie van het Europees fonds voor Regionale Ontwikkeling (Interreg Vlaanderen-Nederland). Ook droegen het Nederlandse ministerie van Economische Zaken en Klimaat, de provincies Noord-Brabant, Antwerpen en Oost-Vlaanderen en het bedrijf AccTec bij. Eind 2020 moet het eerste röntgenkanon klaar zijn. Daartoe slaan onder meer de TU Eindhoven, de TU Delft, de Univer­siteit Antwerpen, de Universiteit Gent, het Erasmus MC, meerdere musea en de bedrijven VDL en Agfa Healthcare de handen ineen.

Beperkingen

Dankzij hun korte golflengte dringen röntgenstralen makkelijk door in een materiaal. Daar vindt verstrooiing en absorptie plaats aan atomen. Dat laatste zorgt ervoor dat je op ziekenhuisröntgenfoto’s goed het contrast kunt zien tussen zachte weefsels – zoals huid, bloedvaten en spieren – en kalkrijk botmateriaal met een hogere dicht­heid.

Maar de huidige standaard-röntgenbronnen kennen wel wat beperkingen: zo zijn ze niet coherent, stralen ze alle kanten uit en produceren ze meerdere, relatief lange golflengtes. Om bijvoorbeeld metalen lasnaden of schilderijen in detail te onderzoeken, zijn nauwkeurigere bundels nodig met een hogere röntgenenergie om dieper in de materie door te dringen.

Momenteel heb je daarvoor een synchrotron nodig, waarvan er wereldwijd zo’n
zeventig zijn. Alleen kun je daar niet ‘zomaar’ gaan meten. Zelfs als je je onderzoeksvoorstel gehonoreerd krijgt, is de meettijd gelimiteerd. Daarvan ben je dan ook nog een deel kwijt aan het opzetten van je opstelling – als die al transporteerbaar is. Daarnaast kan het uitlopen op een dure aangelegenheid en laten niet alle onderzoeksobjecten zich eenvoudig transporteren, denk maar aan kostbare, grote schilderijen.

€ 5 miljoen

De praktische obstakels voor kunstonderzoek vormden voor Luiten en mede-initiator Joris Dik van de TU Delft de inspiratie om een hoogenergetisch miniröntgenkanon te bouwen. Maar het project richt zich ook op andere toepassingen, zoals materiaalonderzoek en medische diagnostiek. ‘Economisch en maatschappelijk interessante toepassingen’, zegt Luiten. Onder­zoekers moeten straks kunnen meten wanneer zij willen en gedurende langere tijd, omdat ze hun eigen opstelling bij de hand hebben. ‘Die beschikbaarheid is de grote meerwaarde van de Smart*Light’, meent Luiten. ‘Want de prijs van het apparaat is met een ordegrootte van € 5 miljoen, vergelijkbaar met die van een state-of-the-art-elektronenmicroscoop, natuurlijk veel duurder dan een enkel bezoek aan een synchrotron.’

In de Smart*Light botst een elektronenbundel met bijna-lichtsnelheid op een laserbundel. De diameter van beide bundels bedraagt minder dan 10 µm. Bij de botsing ontstaat hoog-intense coherente röntgenstraling, met een heel specifieke, zeer korte golflengte. Dit soort straling kan nu alleen een synchrotron opwekken. Volgens Luiten waren er al in de jaren zeventig voorstellen voor zo’n soort bron. Maar tot voor kort was de techniek simpelweg nog niet goed genoeg.

Sneller meten

Onlangs is het Nederlandse bedrijf VDL er echter bij CERN in geslaagd om, dankzij de ‘X-band’-technologie, een nieuwe versnellertechnologie, de minimale omvang van de elektronenversneller met een factor 5 à 10 te reduceren. Daardoor hoeft de Smart*Light straks slechts enkele meters groot te zijn. Luiten verwacht dat deze nieuwe versneller over een jaar klaar is. ‘Verder gaan we werken met zeer intense sub-picoseconde industriële lasers. Die zijn turnkey en daardoor makkelijk te bedienen’, vervolgt hij. De grootste uitdaging wordt het op de micron uitlijnen van de elektronen- en laserbundel.

Projectleider Hessel Castricum van de TU Delft hoopt met deze relatief hoge rönt­gen­energie van 100 keV dieper in materialen zoals staal te kunnen kijken. Zo denkt hij meer te kunnen zeggen over de bulkstructuur en de daarmee samenhangende materiaaleigenschappen. Castricum: ‘Ook vergemakkelijkt Smart*Light het onderzoek naar metaalmoeheid en corrosie, typisch processen die je wilt kunnen volgen over langere tijdsperiodes dan in synchrotrons mogelijk is.’

‘Beschikbaarheid is de grote meerwaarde’

Daarnaast moet je, geautomatiseerd, kunnen schakelen tussen verschillende rönt­gene­nergieën. Luiten: ‘In het kader van het kunstonderzoek kun je dan op dezelfde pixel meten op diverse dieptes, om naar de 3D-opbouw van een schilderij te kijken.’ En dankzij de hogere intensiteit kun je sneller meten. Luiten: ‘Joris Dik ontwikkelde samen met de Antwerpse onderzoeker Koen Janssens een paar jaar terug de mobiele XRF-scanner. Dat was een goede eerste stap, maar ook die metingen duren nog steeds heel lang. De Smart*Light heeft straks een tien à honderd keer hogere intensiteit dan deze scanner, bij een gelijke bundelkwaliteit, en dat verkort de metingen met eenzelfde factor.’

Castricum hoopt dat het lukt om al binnen dit project een goed transporteerbaar prototype te realiseren. Ondertussen wil Wiro Niesen van het Erasmus MC de nieuwe techniek gaan testen bij onderzoek naar osteoartrose en aderverkalking. De huidige bronnen zijn nog te weinig coherent om dit goed te kunnen waarnemen. Niesen: ‘Ik verwacht dat we met de beoogde, homogenere bundel en de instelbare röntgen-energieën van Smart*Light de interne structuur van weke delen wel in beeld kunnen brengen.’ Dat houdt bijvoorbeeld in dat je kraakbeen kunt onderscheiden van bot en de compositie van aderverkalking kunt visualiseren, om een idee te krijgen van de urgentie van medisch ingrijpen.

Brede interesse

‘Misschien zijn er over tien jaar in Neder­land zomaar enkele tientallen Smart*­Lights te vinden’, speculeert Luiten. ‘De crux van ons initiatief is dat we de high­techindustrie er vanaf het begin bij hebben betrokken én CERN met al zijn expertise. Die aanpak gaat ons hopelijk helpen bij toekomstige commercialisering.’ Markt­onderzoek van VDL liet zien dat er onder materiaalkundigen brede interesse is in zo’n apparaat. Luiten besluit: ‘Je kunt straks dingen onderzoeken die nu onmogelijk zijn. In feite creëren we een heel nieuwe markt.’