Röntgen

Röntgenstraling is, net als zichtbaar licht, een elektromagnetische golf, maar dan met een veel kortere golflengte. De golflengte van deze straling is tussen de 0,02 tot 50 nanometer. Ter vergelijking: zichtbaar licht heeft golflengten tussen 400 en 800 nanometer. Vanwege zijn kleinere golflengte bezit röntgenstraling meer energie dan het zichtbaar licht. Röntgenstralen hebben genoeg energie om door veel dingen heen te gaan. Maar zij gaan niet door dichte materialen zoals metaal.

We kunnen er voorwerpen mee doorlichten. Op luchthavens worden ze door de bagage van de passagiers heen gestuurd. Röntgenstralen worden ook in de medische wereld gebruikt. Ze gaan gemakkelijk door ons lichaam, behalve door de botten. Om het spijsverteringsstelsel zichtbaar te maken krijgt de patiënt een papje te slikken, waar de straling niet doorheen gaat.

Nog kortere golflengten

Gammastralen hebben nog kortere golflengten dan röntgenstralen. Vanwege hun grote energie kunnen ze bijna overal doorheen. Gammastralen worden in de medische wereld in kleine hoeveelheden gebruikt om binnen in het menselijk lichaam te kijken. Deze techniek staat bekend als positron-emissie-tomografie (PET). Vanwege de geringe dosis en de grote snelheid waarmee de straling door het lichaam gaat, is het gevaar voor de gezondheid klein.

Het principe is het volgende: de patiënt krijgt een stof toegediend die een rol speelt bij de stofwisseling in bijvoorbeeld de hersenen. Eén van de atomen in de verbinding is vervangen door een radioactieve isotoop en produceert bij verval een positron, een positief geladen deeltje met een lading gelijk aan, maar tegengesteld aan die van een elektron. Het vrijkomende positron bindt zich (annihileert) vrijwel onmiddellijk met een elektron uit het weefsel. Bij de botsing van een positron en een elektron uit het weefsel worden deze deeltjes vernietigd en de daarbij vrijkomende energie wordt omgezet in twee gamma kwanta. Daarbij komen twee kwanta gammastraling vrij, die – buiten het lichaam – kunnen worden gedetecteerd.Het PET-apparaat bestaat uit een ring van detectoren die de uitgezonden gammastraling registreert.Ook is na te gaan op welke plaats binnen het orgaan die kwanta worden geproduceerd. Als er maar genoeg radioactieve kernen vervallen, kan er een tijdsopname worden gemaakt van het verloop van de stofwisseling in een bepaald orgaan. De computer brengt daarna de stofwisseling in de hersenen in beeld.

Scintillatie

Nauwkeurig detecteren van de uitgezonden gammastraling is essentieel voor de diagnose. Om een afbeelding te maken van de hersenen, moeten er zo’n 500 miljoen positron-elektron annihilaties worden waargenomen. Voor het zichtbaar maken van gammastraling maakt men gebruik van scintillatoren. De gammakwanta worden geabsorbeerd in een kristal en omgezet in licht, dat vervolgens gedetecteerd wordt door een fotodiode. De lichtflits die ontstaat wordt scintillatie genoemd, naar het Latijnse woord vonk, scintilla.

Meestal geeft men de voorkeur aan een scintillator die bestaat uit een natriumjodide-kristal, dat een klein percentage thallium bevat. Het thallium vormt de zogenaamde luminescentie-centra. Het mechanisme bestaat uit verschillende stappen. Het begint met de absorptie van de gammakwanta. Absorptie gebeurt door interactie met de atomen van het kristalrooster van de scintillator. De gammakwanta hebben zoveel energie dat die met gemak elektronen los slaan. Het gaat om elektronen in één van de binnenschillen van de atomen. Die elektronen slaan op hun beurt veel elektronen los, die vanuit de buitenste schil, de valentieband, in de geleidingsband terechtkomen. Afhankelijk van het gebruikte kristal en de energie van de gammastraling, kunnen er dat wel 50.000 tot 100.000 zijn.

De losgeslagen elektronen in de geleidingsband vallen na enige tijd weer terug naar hun oorspronkelijke energieniveaus en gaan weer hun banen rond de atoomkern draaien. Een aantal daarentegen beweegt zich door het kristal tot zij door de luminescenta-centra worden gevangen. Hier bestaan lokaal andere energieniveaus. Als hier een elektron terugvalt naar de buitenste schil, dan wordt een deel van de overtollige energie vrijwel onmiddellijk omgezet in lichtfotonen. Met behulp van een zogenaamde fotomultiplicator worden de lichtflitsen omgezet in krachtige elektrische pulsen.

Fotomultiplicatorbuizen nemen nogal wat ruimte in. Fotodiodes daarentegen zijn compacter. Als de fotomultiplicatoren worden vervangen door diodes kunnen er meer scintillatiekristallen worden gemonteerd waardoor de resolutie verbetert. Fotodiodes werken echter vooral in het rode gebied, terwijl de meeste scintiallatoren licht afgeven met een golflengte in het blauwe en ultraviolette gebied.

Andere typen

Om die reden is er behoefte aan andere typen scintillatoren. Dr. ir. Hans Van ’t Spijker promoveerde aan de Technische Universiteit Delft op een onderzoek naar nieuwe materialen voor het detecteren van gammastraling. De aandacht van Van ’t Spijker gaat vooral uit naar kristalroosters opgebouwd uit chloriden of bromiden van lanthaan, gadolinium en lutetium. Deze gastmaterialen zijn kunstmatig licht verontreinigd met driewaardig cerium Ce[^ 3+^], een element uit de reeks zeldzame aarden.

Deze scintillatoren bieden een hoge lichtopbrengst zodat het mogelijk is met minder straling meer te zien. De vervaltijd is echter vrij lang en ligt in de orde van enkele microseconden. De vervaltijd is de gemiddelde tijd die ligt tussen het moment waarop de gammakwantum wordt geabsorbeerd en het moment dat het kristal zijn fotonen uitzendt. Het is een maat voor de snelheid waarmee de energie wordt overgedragen. Dat die zo laag ligt, is een verrassing. Van ‘t Spijker: ’ We dachten eigenlijk dat gadolinium in het kristalrooster zou fungeren als een efficiënt doorgeefluik van energie naar het cerium, het luminescentiecentrum. Dat bleekt niet het geval. Daarom wordt er nu gezocht naar andere elementen voor het kristalrooster. Eén van de kandidaten is lutetium, eveneens één van de zeldzame aarden.’

Want ondanks bijna een eeuw ontwikkeling van scintillatoren is er nog steeds ruimte voor verbetering.

Bewerking van een artikel uit Delft Integraal 99.4 van de hand van Joost van Kasteren.

Dit artikel is eerder verschenen in nummer 4 uit de jaargang 2001 van het blad Archimedes.