Zachte röntgenstraling: het licht dat cellen en computerchips in beeld brengt
Röntgenstraling kennen de meeste mensen van de foto van hun gebroken arm: onzichtbaar licht dat dwars door zacht weefsel gaat maar wordt tegengehouden door bot. Wat minder bekend is, is dat er grote verschillen bestaan binnen het röntgenspectrum. "Zachte" röntgenstraling is de mildere, minder doordringende variant. Vergelijk het met het verschil tussen een por met een vinger en een stomp met een vuist: beide zijn een aanraking, maar de kracht en het effect verschillen enorm. Zachte röntgenstraling wordt al na een paar millimeter lucht bijna volledig geabsorbeerd, terwijl "harde" röntgenstraling (zoals bij een ziekenhuisscan) makkelijk door een heel lichaam heen dringt.
Juist die zwakke doordringkracht maakt zachte röntgenstraling nuttig. Omdat het licht sterk wisselwerkt met materie, kunnen onderzoekers er met extreme precisie mee kijken naar hele kleine dingen: de binnenkant van een levende cel, de laagjes in een computerchip, of de opbouw van een molecuul. Het is een beetje als het verschil tussen een zaklamp die door een gordijn schijnt (je ziet vage vormen) en een zaklamp die tegen een dun blaadje papier wordt gehouden (je ziet elke ader en vezel). Zachte röntgenstraling is die tweede zaklamp: minder bereik, maar veel meer detail op kleine schaal.
Wat is het precies?
Röntgenstraling is, net als zichtbaar licht, radiogolven en gammastraling, een vorm van elektromagnetische straling. Het verschil zit in de golflengte: hoe korter de golflengte, hoe hoger de energie van de straling. Röntgenstraling heeft een golflengte tussen ruwweg 0,01 en 10 nanometer (een nanometer is een miljoenste van een millimeter). Binnen die groep wordt onderscheid gemaakt tussen "harde" röntgenstraling (golflengte korter dan 0,1 nanometer, hoge energie, sterk doordringend) en "zachte" röntgenstraling (golflengte van ongeveer 0,1 tot 10 nanometer, energie van pakweg 0,1 tot 10 kiloelektronvolt). Een kiloelektronvolt (keV) is een eenheid voor de energie van een enkel lichtdeeltje, een foton; hoe meer keV, hoe harder de straling.
Omdat zachte röntgenstraling zo makkelijk wordt geabsorbeerd, moet vrijwel alle onderzoek ermee in vacuüm plaatsvinden: lucht zelf blokkeert de straling al grotendeels. Dat maakt de techniek lastiger toepasbaar dan gewone röntgenapparatuur in een ziekenhuis, die immers gewoon in een kamer met lucht werkt.
Er zijn verschillende manieren om zachte röntgenstraling op te wekken. Grote onderzoeksfaciliteiten gebruiken een synchrotron: een ringvormige deeltjesversneller waarin elektronen bijna op de lichtsnelheid worden rondgestuurd en bij elke bocht straling uitzenden. Een geavanceerdere variant is de vrije-elektronenlaser (Engels: free-electron laser, afgekort XFEL), waarbij elektronen door een lange rij magneten worden gejaagd en extreem korte, felle flitsen röntgenlicht produceren. Daarnaast bestaat er compactere, "tafelmodel"-apparatuur die met sterke laserpulsen een wolkje gas of plasma laat oplichten in röntgengolflengtes; dit heet high-harmonic generation.
Een bijzondere toepassing is het zogeheten water window (waterraam): een smal golflengtegebied tussen ongeveer 2,3 en 4,4 nanometer. In dat gebied laat water de straling relatief goed door, terwijl koolstofhoudend (organisch) materiaal de straling juist sterk absorbeert. Een levende cel bestaat grotendeels uit water met daarin koolstofrijke structuren zoals eiwitten en celkernen. Door in het waterraam te fotograferen, tekenen die structuren zich vanzelf scherp af, zonder dat de cel eerst met kleurstoffen bewerkt hoeft te worden.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is beeldvorming en analyse op een schaal waar zichtbaar licht tekortschiet. Gewone microscopen worden begrensd door de golflengte van zichtbaar licht (ongeveer 400 tot 700 nanometer): kleinere structuren dan dat vervagen. Zachte röntgenstraling heeft een veel kortere golflengte en kan daardoor details van enkele nanometers laten zien, terwijl elektronenmicroscopen (die nog kleiner kunnen zien) vaak monsters beschadigen of vereisen dat cellen worden ingevroren en doorgesneden.
In de biologie is het doel om levende of levensecht bevroren cellen in hun natuurlijke, driedimensionale vorm te bestuderen, zonder kleuring of andere ingrepen die de structuur kunnen vervormen. In de materiaalkunde en chip-industrie wil men de opbouw van nanostructuren controleren: zijn de laagjes in een geavanceerde computerchip precies goed aangebracht? In de natuurkunde en scheikunde gebruikt men de zeer korte lichtflitsen van XFEL's om ultrasnelle processen te filmen, zoals het breken en vormen van chemische bindingen, die in femtoseconden (miljoenste van een miljardste seconde) verlopen. En in de ruimtevaart wordt zachte röntgenstraling van de zon gemeten om zonnevlammen te detecteren, omdat die de aarde kunnen treffen en satellieten en stroomnetten kunnen verstoren.
Voorbeelden uit de praktijk
Een paar concrete voorbeelden laten zien hoe divers het onderzoeksveld is:
- European XFEL (Hamburg, Duitsland) — sinds 2017 operationeel; deze 3,4 kilometer lange ondergrondse vrije-elektronenlaser produceert extreem felle en korte röntgenflitsen, deels in het zachte spectrum, en wordt gebruikt voor onderzoek naar onder meer eiwitstructuren en ultrasnelle chemische reacties.
- JILA / University of Colorado Boulder (VS) — de onderzoeksgroep van Margaret Murnane en Henry Kapteyn demonstreerde in 2012 een tafelmodel-lichtbron die met laserpulsen in gas coherente zachte röntgenstraling opwekte tot in het waterraam, een belangrijke stap richting compactere apparatuur buiten grote synchrotronfaciliteiten.
- BESSY II, Helmholtz-Zentrum Berlin (Duitsland) — deze synchrotron heeft bundellijnen die specifiek zijn ingericht voor cryo-zachte-röntgentomografie: driedimensionale opnames van bevroren cellen in het waterraam, zonder chemische fixatie.
- NOAA GOES-satellieten (VS) — al sinds de jaren zeventig meten Amerikaanse weersatellieten met een röntgensensor (XRS) continu de zachte röntgenstraling van de zon, om zonnevlammen vroegtijdig te signaleren; de huidige generatie (GOES-16, GOES-18) zet dit werk voort als onderdeel van space-weather-voorspelling.
- ARCNL, Amsterdam (Nederland) — dit onderzoekscentrum, rond 2014 opgezet door ASML samen met de Universiteit van Amsterdam, de Vrije Universiteit Amsterdam en onderzoeksfinancier NWO, doet fundamenteel onderzoek naar lichtbronnen en meettechnieken op het grensvlak van extreem ultraviolet en zachte röntgenstraling, met het oog op toekomstige generaties chipproductie.
Hoe ver is de techniek?
Het is belangrijk om onderscheid te maken tussen verschillende toepassingen, want die verschillen sterk in volwassenheid. Onderzoek met grote synchrotrons en vrije-elektronenlasers is inmiddels een gevestigde, dagelijkse onderzoekspraktijk: honderden onderzoeksgroepen wereldwijd boeken tijd op deze faciliteiten voor experimenten in biologie, natuurkunde, scheikunde en materiaalkunde. Deze apparatuur is echter groot, duur en schaars: er zijn wereldwijd slechts een handvol vrije-elektronenlasers.
Compacte, tafelmodel-bronnen op basis van laser-opgewekte plasma's of high-harmonic generation zijn nog vooral onderzoeksinstrumenten in laboratoria en nog niet op grote schaal commercieel of industrieel ingezet, al wordt er hard aan gewerkt om ze praktischer en feller te maken.
Een aparte, veelbesproken kwestie is de rol van (zachte) röntgenstraling in de chipindustrie. De huidige EUV-lithografie van ASML werkt met licht van 13,5 nanometer, wat technisch gezien nog net binnen het extreem-ultraviolet (EUV) valt en niet strikt "zachte röntgenstraling" is, die doorgaans pas onder de 10 nanometer begint. Voor toekomstige, nog kleinere chipstructuren wordt onderzoek gedaan naar zogeheten "Beyond EUV" (BEUV) met een golflengte van ongeveer 6,7 nanometer, wat wél binnen het zachte-röntgengebied valt. Dit onderzoek staat echter nog in een vroeg, experimenteel stadium: er bestaat op dit moment geen spiegel- of lensmateriaal dat licht van die golflengte efficiënt genoeg reflecteert voor praktische lithografiemachines, en veel experts beschouwen BEUV voorlopig eerder als een langetermijnrichting dan als een nabije doorbraak.
Wie werken eraan?
Het veld wordt gedomineerd door een beperkt aantal grote, kostbare onderzoeksfaciliteiten en de instituten die ze beheren. In Europa zijn dat onder meer European XFEL en DESY (Duitsland), Helmholtz-Zentrum Berlin met synchrotron BESSY II, Diamond Light Source (Verenigd Koninkrijk) en de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, Frankrijk). In de Verenigde Staten spelen SLAC National Accelerator Laboratory (met de Linac Coherent Light Source) en universitaire onderzoeksgroepen zoals JILA in Boulder, Colorado een leidende rol. Japan heeft met SACLA een eigen vrije-elektronenlaser.
Op het gebied van chiptechnologie is Nederland internationaal toonaangevend, met chipmachinefabrikant ASML en onderzoekscentrum ARCNL in Amsterdam, die nauw samenwerken met universiteiten als de Universiteit van Amsterdam en de Vrije Universiteit. Voor het meten van zonneactiviteit en space weather zijn Amerikaanse ruimtevaart- en weerorganisaties zoals NASA en NOAA de belangrijkste partijen, in samenwerking met onder meer het Europese ruimtevaartagentschap ESA.