Röntgenstraling

Afbeelding van de hand met ring van Alfred von Kolliker door Wilhelm Röntgen. Een van de eerste röntgenfoto's, gemaakt op 23 januari 1896.

Röntgenstraling (of X-straling), genoemd naar de ontdekker ervan, Wilhelm Röntgen, is elektromagnetische straling met een iets grotere energie dan zichtbaar licht en ultraviolet. In het spectrum ligt röntgenstraling dan ook tussen ultraviolet licht en gammastraling. De golflengtebegrenzing is enigszins willekeurig. Men spreekt van röntgenstraling als de golflengte van de straling tussen ongeveer 0,01 nm en 4,5 nm (nanometer) ligt. Deze band correspondeert met een energie van ongeveer 0,5 tot 200 keV (kilo-elektronvolt). De Nederlandse overheid houdt een bovengrens aan van 100 nm.

Inleiding

Röntgenstraling wordt evenals ultraviolette straling door de aardatmosfeer tegengehouden, zodat de röntgenstraling van de zon ons niet bereikt. Röntgenstraling behoort tot de ioniserende stralingssoorten en kan dus in stoffen waar hij op valt chemische reacties teweegbrengen. Als de bestraalde stof levend weefsel is, kan dit leiden tot stralingsschade aan het DNA, en dus tot mutaties, en eventueel tot kanker. Onnodige blootstelling aan enige vorm van ioniserende straling dient dus vermeden te worden.

Door zijn, in vergelijking met licht, hoge energie wordt röntgenstraling niet afgebogen door normale lenzen, maar wel door gebogen blokken metaal. Spiegeling treedt slechts op bij scherende inval. Daarom worden toepassingen analoog aan die van zichtbaar en ultraviolet licht, zoals lasers, spiegels en beeldvorming door telescopen, op een andere manier verwezenlijkt. Zie hiervoor röntgenoptiek.

Bronnen

Mechanismen

Röntgenstraling kan ontstaan op meer manieren:

1. zwarte straling van lichamen met een temperatuur van miljoenen graden
2. remstraling
3. door het inverse (omgekeerde) Compton-effect uit minder energierijke straling, zoals zichtbaar licht
4. synchrotronstraling
5. K-vangst (interne conversie), waarbij een atoomkern van radioactieve stof een eigen elektron invangt.
6. fluorescentie (röntgenfluorescentie)

Kunstmatige bronnen

Röntgenbuis
K - gloeispiraal maakt elektronen vrij
A - trefvlak
C - koelwater W - koelwater aan- en afvoer
U _h- gloeispanning
U _a- versnelspanning
X - röntgenstraling

Röntgenstraling wordt meestal in een röntgenbuis opgewekt als remstraling. Deze ontstaat wanneer versnelde elektronen op een doel (target, trefvlak in de figuur) botsen, meestal van wolfraam of een ander hard materiaal zoals molybdeen met een hoog smeltpunt boven de 2000 graden Celsius. De elektronen worden in vacuüm door middel van een elektrisch veld versneld. Een spanningsverschil (versnelspanning, anodespanning) wekt dit veld op tussen de kathode K en de anode A. De elektronen worden uit de kathode K vrijgemaakt door deze op te warmen, bijvoorbeeld met een gloeispiraal waar gloeispanning op wordt gezet. Doordat de elektronen elektrisch negatief geladen zijn, worden ze versneld van de negatieve kathode naar de positieve anode. De maximale energie van de röntgenstraling die zo ontstaat is evenredig met de aangelegde elektrische spanning en wordt daarom vaak in kilo-elektronvolt uitgedrukt. De intensiteit hangt af van de elektrische stroom die gaat lopen. Deze wordt uitgedrukt in mA (milliampères). Bij het opwekken van intense stralingsbundels wordt het doel erg warm. Daarom hebben röntgenbuizen koelvoorzieningen (bijvoorbeeld waterkoeling en/of snel ronddraaien van het doelmateriaal (rotating-anode)).

Naast de remstraling die een continue verdeling van golflengten heeft (witte straling), wordt er ook karakteristieke straling (lijnemissie) vrijgemaakt in het doel. Elektronen worden uit de binnenste schil van de atomen in het materiaal losgeslagen. Het ontstane gat in de schil wordt opgevuld door elektronen uit schillen met hogere energie. Hierbij zenden de laatste elektronen fotonen uit met een scherp bepaalde energie, en dus golflengte. Deze is karakteristiek voor het chemische element waar het doel van is gemaakt.

Een veel intensere bron van allerlei straling, waaronder röntgenstraling, is synchrotronstraling. Dit is een mengsel van soorten straling met zo ongeveer iedere gewenste golflengte over een veel breder spectrum dan alleen het röntgengebied. Deze bron wordt in toenemende mate gebruikt in wetenschappelijke toepassingen.

Het is mogelijk met behulp van een monochromator de straling te beperken tot vrijwel één bepaalde golflengte. Bij traditionele röntgenbuizen stelt men de monochromator meestal in op de sterkste specifieke lijn van het gebruikte anodemateriaal, bijvoorbeeld de Kα₁ lijn van koper (λ = 1,5406 Å = 154,06 pm (picometer), energie 8,05 keV) is een veel gebruikte golflengte. Bij synchrotronstraling heeft men veel meer keuze omdat vrijwel het gehele spectrum beschikbaar is.

Natuurlijke bronnen

Op aarde zijn natuurlijke bronnen schaars. Er is een aantal radioactieve isotopen dat straling in het röntgengebied uitzendt.

Wetenschappers van de Universiteit van Florida hebben ontdekt, dat bij het ontstaan van onweer niet alleen zichtbaar licht ontstaat, maar ook röntgen- en gammastraling .

In het heelal is dat een andere zaak. De zon en andere sterren zenden door hun hitte van miljoenen graden Celsius in hun corona röntgenstraling uit. Rond zwarte gaten wordt invallende materie ook verhit, wat tot röntgenemissie leidt. Bijvoorbeeld Cygnus X-1 (naamgeving: eerste röntgenbron in de sterrenbeeld Cygnus Zwaan). De röntgensterrenkunde legt zich toe op het meten en bestuderen van deze straling.

Eigenschappen

Röntgenstraling heeft verschillende effecten:

1. chemisch, bijvoorbeeld de zwarting van fotografisch materiaal
2. optisch, sommige beschenen stoffen fluoresceren en geven zichtbaar licht terug. Dit leidde oorspronkelijk tot de ontdekking door Wilhelm Röntgen
3. biologisch, een te hoge dosis op de huid leidt tot erytheem (rode huid, als door UV-licht (zonnebrand)).
4. thermisch: absorptie van röntgenstraling leidt tot opwarming van het absorberend materiaal.

Diagram van een microcalorimeter voor waarneming van een röntgenfoton in de röntgenastronomie. Het foton wordt geabsorbeerd en omgezet in warmte, die gedetecteerd kan worden.

Röntgenstraling heeft als andere elektromagnetische straling eigenschappen als

1. fase
2. polarisatie. Onderzoek en toepassing van deze eigenschappen zijn recent begonnen en kunnen leiden tot betere medische en andere beeldvorming.
3. breking en weerkaatsing. X-straling wordt ook net als licht enigszins gebroken of scherend weerkaatst bij de overgang van de ene stof naar de andere. Door de grotere energie van röntgenstraling gaat het om kleine effecten - een loodvest bij een CT-scan kan röntgenstraling dus niet weerkaatsen. Dit verklaart waarom het bouwen van een telescoop voor röntgenstraling lastig is en gebruik maakt van lange geneste kokers van reflecterend metaal. Het alternatief van gebogen stukken metaal als "lens" om bundels X-stralen te concentreren bleek niet praktisch door onder meer intensiteitverlies.

Toepassingen

Het aantal toepassingen van röntgenstraling is groot en neemt nog steeds toe, vooral in de wetenschap.

Medisch

Röntgenstraling heeft belangrijke toepassingen in de geneeskunde, waarbij het medische nut voor de patiënt meestal ruimschoots opweegt tegen het geringe risico van stralingsschade. Beeldvorming ontstaat doordat de straling afhankelijk van de energie door de meeste zachte weefsels wordt doorgelaten, maar door vooral harder calciumhoudend weefsel wordt tegengehouden. Zo houdt bijvoorbeeld (bot) veel straling tegen maar kraakbeen veel minder tot geen. Sinds meer dan een eeuw kan daarom het skelet makkelijk met röntgenstraling worden afgebeeld.

Toepassingen in de geneeskunde zijn:

1. als medische beeldvormende techniek voor diagnose (zie röntgenfoto, CT-scan en röntgendoorlichting, fluoroscopie) en
2. therapeutisch door het bestralen van kwaadaardige gezwellen (radiotherapie).

Ook in de tandheelkunde worden röntgenfoto's gemaakt.

Gewone, lichtgevoelige film is ook gevoelig voor röntgenstraling, zelfs als de verpakking er nog omheen zit. Kort na de ontdekking in 1895 werd röntgenstraling daarom veel gebruikt als een soort kermisattractie, waarbij men de botten van de hand kon laten afbeelden. Verduistering was dan niet nodig. Ook is röntgenstraling in schoenenwinkels wel gebruikt om na te gaan of schoenen de juiste maat hadden. In ziekenhuizen werd röntgenstraling zelfs wel gebruikt in plaats van scheren om haar bij patiënten te verwijderen. Pas veel later werd in brede kring duidelijk dat röntgenstraling ook schadelijk is, vooral bij blootstelling aan grote intensiteiten of gedurende lange tijd. In de V.S. bleek in 2007 dat veelvuldige toepassing van CT-scans een paar procent bijdroeg aan het veroorzaken van kanker.

Techniek

Ook in de techniek vinden röntgenstralen veelvuldig toepassing, bijvoorbeeld voor het controleren van lasnaden op fouten.Een nieuwe ontwikkeling is digitale radiografie. Voordeel is dat er ongeveer 10 % van de straling nodig is in vergelijking met eerdere technieken. Ook kan het beeld met de PC bewerkt worden. Nog een ander voordeel van deze techniek is dat het minder belastend is voor het milieu, want er zijn geen chemische processen nodig om foto's te ontwikkelen. Nadeel is dat de opnameplaat niet in elke vorm te buigen is, zoals bij film.

Misdaadbestrijding

Doorlichten is ook in de bestrijding van misdaad en terrorisme een veel gebruikte techniek. Vrijwel alle bagage van passagiers in de luchtvaart wordt doorgelicht.

Wetenschap

Röntgenstraling vindt toepassing in een aantal belangrijke wetenschappelijke (analytische/spectroscopische) technieken, zoals:

• Röntgendiffractie. Hierbij wordt veelvuldig gebruikgemaakt van koper en molybdeen doelmaterialen.
• Röntgenfluorescentie
  • Element analyse in een rasterelektronenmicroscoop (SEM)
• EXAFS: extreme x-ray absorption fine structure
• NEXAFS: near-edge x-ray absorption fine structure
• PIXE: particle induced x-ray emission
• Röntgensterrenkunde

Fluorescentie - in een rasterelektronenmicroscoop of daarbuiten - geeft informatie over de elementsamenstelling van het doelwitmateriaal. Met diffractie daarentegen kan de kristalstructuur van het materiaal worden achterhaald. EXAFS wordt gebruikt om de (ruimtelijke) structuur van de onmiddellijke omgeving van een absorberend atoom te onderzoeken. NEXAFS is een gevoelige techniek om de elektronenstructuur van het absorberende atoom en zijn bindingen te bepalen.

Externe links

• The Cathode Ray Tube site

· ·

Elektromagnetische straling

radiogolf · lange golf · middengolf · korte golf · very high frequency (ultrakorte golf) · ultra-high frequency · microgolf · infrarood · zichtbaar licht · ultraviolet · röntgenstraling · gammastraling
Kleuren van de regenboog: rood · oranje · geel · groen · cyaan · blauw · indigo · violet

Mediabestanden

Zie de categorie X-rays van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.