Na jaren van onderzoek is het team van TU/e-wetenschappers Jom Luiten en Peter Mutsaers erin geslaagd om met een ‘draagbaar’ apparaat nauwbandige en verstembare harde röntgenstraling van hoge kwaliteit op te wekken.
Wat begon als de wens om beter in schilderijen te kunnen kijken met zogeheten harde röntgenstraling, d.w.z. met golflengtes kleiner dan een nanometer, leidt nu tot een ongelofelijke prestatie van een team van onderzoekers onder leiding van Jom Luiten en Peter Mutsaers. Met hun kleine ‘synchrotron’, van anderhalf bij drie meter groot in plaats van een heel gebouw, wekten zij succesvol harde röntgen op in een heel smal golflengtebereik. Die röntgenstraling kan ook nog eens precies worden afgestemd op het materiaal dat je wil bestuderen. Dat dat lukt met een bron van deze afmetingen is uniek in de wereld. De reis naar deze mijlpaal leest als een jongensboek.
Op een vrijdagmiddag in september wordt Jom Luiten, hoogleraar Coherence and Quantum Technology, gebeld vanuit het lab met de woorden “Jom, je moet nú naar het lab komen!”. Het telefoontje kwam van zijn promovendi Ids van Elk en Coen Sweers die nog in de kelder van Qubit aan het werk waren. Collega Peter Mutsaers had de pech net op vakantie te zijn.
Hoogleraar Jom Luiten: We hebben die avond echt zitten genieten in het lab. We hadden een werkende harde röntgenbron. Nu echt!
En bij aankomst in het lab aankomst werd snel duidelijk wat de aanleiding was: het compacte röntgenapparaat, dat nauwbandige en verstelbare harde röntgenstraling kan maken, wérkt! Reden genoeg voor grote blijdschap en een snel bericht op maandag naar alle leden van het Smart*Light 2.0 onderzoekconsortium.
De reden van die grote blijdschap? Daarvoor moeten we terug naar de start van het onderzoek. De reis begon, niet helemaal karakteristiek voor onze universiteit, met een schilderij.
De laagjes van een schilderij zien
Kunsthistoricus en materiaalkundige Joris Dik is verbonden aan de TU Delft en heeft grote bekendheid verkregen met de ontdekking van overschilderde voorstudies van Van Gogh, Rembrandt en Magritte.
Met zijn werk zijn wereldberoemde schilderijen teruggevonden, en kreeg hij bekendheid met de röntgenanalyse van het schilderij ‘Grasland’ van Van Gogh waaronder een mogelijke studie van de ‘Aardappeleters’ is teruggevonden.
Met zijn wens om met röntgenstraling in schilderijen te kunnen kijken, kwam hij via de KNAW in contact met Jom Luiten. Röntgenstraling geeft de mogelijkheid om onder het oppervlak van schilderijen, of andere kunsthistorische of archeologische voorwerpen te kijken.
De belofte van deze nieuwe röntgenbron is dat je de chemie en structuur van verflagen met veel hogere resolutie kunt onderzoeken. Dat biedt bijvoorbeeld de kans om individuele, verborgen verflagen van een schilderij zichtbaar te maken.
Omdat het om een compacte röntgenbron gaat, is deze in principe ook inzetbaar in een museum. Dat geeft een enorme kans voor onderzoek aan museaal erfgoed.
Een synchrotron in zakformaat?
Om in de lagen van schilderijen te kunnen kijken, heb je dus een andere röntgenbron nodig. Die zocht Dik! Maar apparatuur die dergelijke nauwkeurig verstembare röntgenstraling kan opwekken, staat nog nergens in een ziekenhuis of museum.
Sterker nog, dat kan op dit moment alleen met een synchrotron. En zoals de naam al doet vermoeden, hebben die grote ronde synchrotrons (zoals het ESRF in Grenoble) enorme afmetingen. Bovendien zijn zij vreselijk duur om te bouwen en daardoor eigenlijk altijd volgeboekt voor onderzoek. Niet geschikt om in een museum even een nieuwe aankoop en al helemaal niet de hele collectie te scannen.
Al pratende met Dik kwam Luiten op een aantal goede ideeën om een kleiner apparaat te bouwen dat óók verstembare, nauwbandige harde röntgenstraling kan opwekken en dan ook nog met een behoorlijk hoge intensiteit. En dan met een opstelling ter grootte van een optische labtafel in plaats van een enorm gebouw.
Een apparaat van dergelijke afmetingen past in een labruimte van gemiddelde grootte en in principe zelfs in een zeecontainer. Een gebouw hoeft dus niet verbouwd te worden om het erin te krijgen. Met dat formaat kan het apparaat zelfs aan het plafond hangen om productieprocessen te volgen.
Het hart van de compacte röntgenbron: de koperen lineaire deeltjesversneller. Foto: Bart van Overbeeke
In de wereld van grote synchrotrons is deze lineaire röntgenbron praktisch van zakformaat. Luiten: “En we hebben zelfs ideeën hoe we het instrument nog compacter zouden kunnen maken.”
traling voor kunst en archeologie
De eerste stappen werden gezet toen Dik en Luiten elkaar voor het eerst spraken op de SR2A conferentie (Synchrotron radiation for art and archeology) in 2016. “Ik ben een enorme optimist,” lacht Luiten. “Dat moet ook wel om dit soort onderzoeksprojecten van de grond te krijgen en investeerders warm te maken.”
“In eerste instantie dacht ik dat ons dat wel zou lukken in drie jaar tijd. Helaas liepen we uit en kregen we onderweg ook nog te maken met vertragingen vanwege de covid-pandemie. Ook de inrichting van het lab in het gebouw waarin we nu zitten, Qubit, liep behoorlijk wat vertraging op. Dat werkte door in onze planningen.”
Een werkend prototype
In hun lab in de kelder van Qubit staat hij dan: het eerste werkende prototype. Of, zoals Luiten het poëtisch noemt, hun ‘compacte deeltjesversneller’. Hij is anderhalve bij drie meter groot en voor alle zekerheid zijn er loodschotten en betonnen muren geplaatst om de onderzoekers veilig hun werk te laten doen.
Dit is een standaard maatregel in deeltjesversnellerlabs tegen ongewenste schadelijke vormen van straling. Door een slim ontwerp zal dergelijke uitgebreide stralingsafscherming in de uiteindelijke uitvoering niet meer nodig zijn.
In hun lab bouwden de onderzoekers het compacte prototype synchrotron, dat er nu voor het eerst in is geslaagd om harde röntgenstraling te genereren. “Na al die jaren van onderzoek, wisten we dat we er vlakbij zaten”, legt Luiten uit.
“Het was dus steeds spannender aan het worden. Toch is Peter (Mutsaers, red.) nog op vakantie gegaan, en ben ik die vrijdag na wat kantoorwerk gewoon naar huis gegaan.”
De euforie over deze mijlpaal is er niet minder om. “Ids, Coen en ik hebben die avond echt zitten genieten in het lab. In de week daarvoor hadden Coen en Ids met Peter maatregelen genomen om hinderlijke achtergrondruis te onderdrukken. Precies wat er nodig was. We hadden een werkende harde röntgenbron. Nu echt!”
En het mooiste van het apparaat is dat het inderdaad heel gemakkelijk verschillende golflengtes kan genereren, zoals gehoopt. “Gewoon met een draaiknop kunnen wij de golflengte variëren en precies afstemmen op het materiaal of object dat we willen onderzoeken”, legt Luiten uit.
“Dat is wellicht nog waar we zelf het meest verbaasd over zijn. Dit apparaat doet precies wat we met onze modellen en theorie hebben voorspeld. Voor een natuurkundige maakt hem dat stiekem een beetje saai. De puzzel is opgelost.”
Hoe mooi de werkende proto ook is, het is nog niet het apparaat waar Dik van droomde en waarvoor inmiddels ook andere geïnteresseerden vanuit de medische wereld en de industrie zich gemeld hebben.
Onderzoekspartner en onderzoeksfellow Material Science and Engineering aan de TU Delft Hessel Castricum zegt daarover: “Wat betreft de toepassing begint het nu pas echt. De komende maanden gaan we aan de slag met de andere partners uit het consortium om de straling precies te kunnen richten op de te onderzoeken materialen, deze op te vangen met geavanceerde detectieapparatuur en de data die zo worden verzameld vervolgens te analyseren. Hier zijn de TU Delft, en de universiteiten van Antwerpen en Gent weer goed in.”
Link magazine oktober/november 2024. Thema: Data delen in de keten, cybersecurity en beveiliging. Vraag exemplaar op: mireille.vanginkel@linkmagazine.nl
Luiten: “Je kunt immers met die straling niet alleen in schilderijen kijken. Je kunt ook in silicium wafers kijken of alle laagjes en lijntjes op de goede plek zitten. Of bijvoorbeeld, zoals partner Erasmus MC wil, atherosclerose (aderverkalking, red.) vroegtijdig signaleren, of longen onderzoeken met covid-schade. Door de hoge kwaliteit van de röntgenstraling, in vergelijking met huidige röntgenscanners, kun je kleinere onderdelen in een cel of weefsels scherper in beeld krijgen.”
Castricum vult aan: “Daarvoor is er de komende periode nog flink wat werk aan de winkel. Behalve dat we – samen met de onderzoekspartners uit hun Interreg-project Smart*Light 2.0 – metingen aan materialen kunnen gaan uitvoeren moeten we het maximale uit de bron gaan halen, onder andere door de intensiteit verder te verhogen en de laser- en electronenbundel nog beter te focussen.”
“De volgende stap is om echt een proof of concept te maken. Zodat we met deze bron echt in een schilderij kunnen kijken. Ons werk zit er zeker nog niet op”, besluit Luiten met zichtbaar plezier.
