Röntgenstralen zijn elektromagnetische stralen die waarschijnlijk het meest bekend zijn vanwege hun vermogen om door de huid heen te kijken en beelden te maken van de botten eronder. Vooruitgang in de technologie heeft geleid tot krachtigere en meer gerichte röntgenstralen en steeds meer toepassingen van deze lichtgolven, van het in beeld brengen van piepkleine biologische cellen en structurele componenten van materialen zoals cement tot het doden van kankercellen.

Röntgenstralen worden grofweg ingedeeld in zachte röntgenstralen en harde röntgenstralen. Zachte röntgenstralen hebben een relatief korte golflengte van ongeveer 10 nanometer (een nanometer is een miljardste meter), en vallen dus in het bereik van het elektromagnetische (EM) spectrum tussen ultraviolet (UV) licht en gammastralen. Harde röntgenstralen hebben een golflengte van ongeveer 100 picometer (een picometer is een triljoenste van een meter). Deze elektromagnetische golven bevinden zich in hetzelfde gebied van het EM-spectrum als gammastralen. Het enige verschil tussen beide is hun bron: Röntgenstralen worden geproduceerd door elektronen te versnellen, terwijl gamma-stralen worden geproduceerd door atoomkernen in een van de vier kernreacties.

Geschiedenis van de röntgenstraling

Röntgenstraling werd in 1895 ontdekt door Wilhelm Conrad Röentgen, een professor aan de universiteit van Würzburg in Duitsland. Volgens het “History of Radiography” van het Nondestructive Resource Center zag Röentgen dat kristallen in de buurt van een kathodestraalbuis met hoog voltage een fluorescerende gloed vertoonden, zelfs wanneer hij ze afschermde met donker papier. De buis produceerde een bepaalde vorm van energie die door het papier drong en de kristallen deed gloeien. Röentgen noemde deze onbekende energie “X-straling”. Experimenten toonden aan dat deze straling door zachte weefsels kon dringen, maar niet door botten, en schaduwbeelden produceerde op fotografische platen.

Voor deze ontdekking kreeg Röentgen in 1901 de allereerste Nobelprijs voor de natuurkunde.

Röntgenbronnen en effecten

Röntgenstraling kan op aarde worden geproduceerd door een hoogenergetische bundel elektronen tegen een atoom als koper of gallium te laten botsen, aldus Kelly Gaffney, directeur van de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource. Wanneer de straal het atoom raakt, worden de elektronen in de binnenste schil, de s-schil genoemd, opgeschud en soms uit hun baan geslingerd. Zonder dat elektron, of die elektronen, wordt het atoom onstabiel, en om het atoom te “ontspannen” of terug te brengen naar evenwicht, zegt Gaffney, valt een elektron in de zogenaamde 1p-schil naar binnen om het gat op te vullen. Het resultaat? Er komt een röntgenstraal vrij.

“Het probleem daarmee is dat de fluorescentie alle kanten op gaat,” vertelde Gaffney aan Live Science. “Ze zijn niet richtbaar en niet scherp te stellen. Het is geen eenvoudige manier om een hoogenergetische, heldere bron van röntgenstraling te maken.”

Enter een synchrotron, een type deeltjesversneller die geladen deeltjes zoals elektronen versnelt binnen een gesloten, cirkelvormig pad. De basisfysica zegt dat als je een geladen deeltje versnelt, het licht uitstraalt. Het soort licht hangt af van de energie van de elektronen (of andere geladen deeltjes) en het magnetische veld dat ze rond de cirkel duwt, aldus Gaffney.

Omdat de synchrotronelektronen worden geduwd tot bijna de lichtsnelheid, geven ze enorme hoeveelheden energie af, met name röntgenenergie. En niet zomaar röntgenstraling, maar een zeer krachtige bundel van gericht röntgenlicht.

Synchrotronstraling werd voor het eerst waargenomen bij General Electric in de Verenigde Staten in 1947, volgens de European Synchrotron Radiation Facility. Deze straling werd als hinderlijk beschouwd omdat de deeltjes er energie door verloren, maar later, in de jaren zestig, werd zij erkend als licht met uitzonderlijke eigenschappen dat de tekortkomingen van röntgenbuizen oversteeg. Een interessante eigenschap van synchrotronstraling is dat zij gepolariseerd is; dat wil zeggen dat de elektrische en magnetische velden van de fotonen alle in dezelfde richting oscilleren, die zowel lineair als cirkelvormig kan zijn.

“Omdat de elektronen relativistisch zijn, wordt het licht dat ze afgeven uiteindelijk in de voorwaartse richting gericht,” zei Gaffney. “Dit betekent dat je niet alleen de juiste kleur van lichte röntgenstralen krijgt en niet alleen veel van hen omdat je veel elektronen hebt opgeslagen, ze worden ook bij voorkeur in de voorwaartse richting uitgezonden.”

Röntgenbeeldvorming

Gezien hun vermogen om bepaalde materialen te penetreren, worden röntgenstralen gebruikt voor verschillende niet-destructieve evaluatie- en testtoepassingen, met name voor het identificeren van gebreken of scheuren in structurele componenten. Volgens het NDT Resource Center, “wordt de straling door een onderdeel en op film of een andere detector gericht. De resulterende schaduwgrafiek toont de interne kenmerken” en of het onderdeel gezond is. Dit is dezelfde techniek die in dokters- en tandartspraktijken wordt gebruikt om röntgenbeelden te maken van respectievelijk botten en tanden.

Röntgenstralen zijn ook essentieel voor veiligheidsinspecties in het vervoer van vracht, bagage en passagiers. Elektronische beeldvormingsdetectoren maken het mogelijk de inhoud van pakketten en andere passagiersitems in real time te visualiseren.

Röntgenstralen werden oorspronkelijk gebruikt voor de beeldvorming van beenderen, die op de destijds beschikbare film gemakkelijk te onderscheiden waren van zachte weefsels. Nauwkeuriger scherpstelsystemen en gevoeligere detectiemethoden, zoals verbeterde fotografische films en elektronische beeldsensoren, hebben het echter mogelijk gemaakt steeds fijnere details en subtiele verschillen in weefseldichtheid te onderscheiden, terwijl veel lagere belichtingsniveaus worden gebruikt.

Daarnaast combineert computertomografie (CT) meerdere röntgenbeelden tot een 3D-model van een gebied van belang.

Gelijk aan CT kan synchrotron-tomografie driedimensionale beelden laten zien van inwendige structuren van voorwerpen zoals technische componenten, aldus het Helmholtz-centrum voor materialen en energie.

Röntgentherapie

Stralingstherapie maakt gebruik van hoogenergetische straling om kankercellen te doden door hun DNA te beschadigen. Aangezien de behandeling ook normale cellen kan beschadigen, beveelt het National Cancer Institute aan dat de behandeling zorgvuldig wordt gepland om de bijwerkingen tot een minimum te beperken.

Volgens het U.S. Environmental Protection Agency zendt de zogenaamde ioniserende straling van röntgenstralen een gericht gebied met voldoende energie om de elektronen van atomen en moleculen volledig te strippen, waardoor hun eigenschappen worden veranderd. In voldoende doses kan dit cellen beschadigen of vernietigen. Hoewel deze celschade kanker kan veroorzaken, kan het ook worden gebruikt om kanker te bestrijden. Door röntgenstralen op kankertumoren te richten, kunnen deze abnormale cellen worden vernietigd.

Röntgenastronomie

Volgens Robert Patterson, hoogleraar astronomie aan de Missouri State University, zijn de hemelse bronnen van röntgenstraling onder meer nabije binaire stelsels met zwarte gaten of neutronensterren. In deze systemen kan het massievere en compactere stellaire overblijfsel materiaal van zijn begeleidende ster strippen om een schijf van extreem heet röntgenstraling uitzendend gas te vormen terwijl het naar binnen spiraliseert. Bovendien kunnen superzware zwarte gaten in de centra van spiraalstelsels röntgenstraling uitzenden wanneer zij sterren en gaswolken absorberen die binnen hun zwaartekrachtsbereik vallen.

Röntgentelescopen maken gebruik van reflecties onder een lage hoek om deze hoogenergetische fotonen (licht), die anders door normale telescoopspiegels zouden gaan, te focussen. Omdat de atmosfeer van de aarde de meeste röntgenstraling blokkeert, worden waarnemingen meestal verricht met behulp van hooggelegen ballonnen of telescopen in een baan om de aarde.

Aanvullende bronnen