Wat zijn röntgenstralen?

Röntgenstralen zijn soorten elektromagnetische straling die waarschijnlijk het meest bekend zijn vanwege hun vermogen om door de huid van een persoon te kijken en afbeeldingen van de botten eronder te onthullen. Vooruitgang in de technologie heeft geleid tot krachtigere en scherpere röntgenstralen en tot steeds grotere toepassingen van deze lichtgolven, van het afbeelden van kleine 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 relatief korte golflengten van ongeveer 10 nanometer (een nanometer is een miljardste van een meter), en vallen dus binnen 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 biljoenste van een meter). Deze elektromagnetische golven bezetten hetzelfde gebied van het EM-spectrum als gammastralen. Het enige verschil tussen hen is hun bron: röntgenstralen worden geproduceerd door elektronen te versnellen, terwijl gammastralen worden geproduceerd door atoomkernen in een van de vier kernreacties.. 

Geschiedenis van röntgenfoto's

Röntgenstralen werden in 1895 ontdekt door Wilhelm Conrad Röentgen, een professor aan de universiteit van Würzburg in Duitsland. Volgens de "History of Radiography" van het Nondestructive Resource Center zag Röentgen dat kristallen in de buurt van een hoogspanningskathodestraalbuis een fluorescerende gloed vertoonden, zelfs als hij ze afschermde met donker papier. Er werd een vorm van energie geproduceerd door de buis die door het papier drong en de kristallen deed gloeien. Röentgen noemde de onbekende energie "röntgenstraling". Experimenten toonden aan dat deze straling zachte weefsels kon doordringen, maar niet bot, en schaduwbeelden op fotografische platen zou produceren. 

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

Röntgenbronnen en effecten

Volgens Kelly Gaffney, directeur van de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, kunnen röntgenstralen op aarde worden geproduceerd door een hoogenergetische elektronenbundel tegen een atoom als koper of gallium te laten botsen. Wanneer de straal het atoom raakt, worden de elektronen in de binnenschil, de s-schaal genoemd, geduwd en soms uit hun baan geslingerd. Zonder dat elektron, of elektronen, wordt het atoom onstabiel, en dus voor het atoom om te "ontspannen" of terug te keren naar evenwicht, zei Gaffney, valt er een elektron in de zogenaamde 1p-schaal om het gat te vullen. Het resultaat? Een röntgenfoto wordt vrijgegeven.

"Het probleem daarmee is dat de fluorescentie [of afgegeven röntgenlicht] alle kanten op gaat", vertelde Gaffney. "Ze zijn niet gericht en kunnen niet worden scherpgesteld. Het is geen erg gemakkelijke manier om een ​​hoogenergetische, heldere bron van röntgenstraling te maken."

Betreed een synchrotron, een soort deeltjesversneller die geladen deeltjes zoals elektronen versnelt in een gesloten, cirkelvormig pad. Basisfysica suggereert dat elke keer dat je een geladen deeltje versnelt, het licht afgeeft. Het type licht hangt af van de energie van de elektronen (of andere geladen deeltjes) en het magnetische veld dat ze rond de cirkel duwt, zei Gaffney..

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

Volgens de European Synchrotron Radiation Facility werd in 1947 voor het eerst synchrotronstraling waargenomen bij General Electric in de Verenigde Staten. Deze straling werd als hinderlijk beschouwd omdat het de deeltjes veroorzaakte energie te verliezen, maar werd later in de jaren zestig erkend als licht met uitzonderlijke eigenschappen dat de tekortkomingen van röntgenbuizen overwon. Een interessant kenmerk van synchrotronstraling is dat het gepolariseerd is; dat wil zeggen, de elektrische en magnetische velden van de fotonen oscilleren allemaal in dezelfde richting, die lineair of cirkelvormig kan zijn. 

"Omdat de elektronen relativistisch zijn [of bijna met lichtsnelheid bewegen], wordt het, wanneer ze licht afgeven, in voorwaartse richting gefocust," zei Gaffney. "Dit betekent dat je niet alleen de juiste kleur röntgenstraling krijgt, en niet alleen veel, omdat er veel elektronen in zijn opgeslagen, maar ze worden ook bij voorkeur in voorwaartse richting uitgezonden."

Röntgenbeeldvorming

Vanwege 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 "straling door een onderdeel geleid en op [een] film of andere detector. De resulterende schaduwgrafiek toont de interne kenmerken" en of het onderdeel geluid is. Dit is dezelfde techniek die wordt gebruikt in de kantoren van artsen en tandartsen om röntgenfoto's te maken van respectievelijk botten en tanden. [Afbeeldingen: Stunning Fish X-stralen]

Röntgenfoto's zijn ook essentieel voor veiligheidsinspecties van vracht, bagage en passagiers. Elektronische beelddetectoren maken realtime visualisatie van de inhoud van pakketten en andere passagiersartikelen mogelijk. 

Het oorspronkelijke gebruik van röntgenfoto's was voor het afbeelden van botten, die gemakkelijk te onderscheiden waren van zachte weefsels op de film die op dat moment beschikbaar was. Nauwkeurigere focussystemen en gevoeliger detectiemethoden, zoals verbeterde fotografische films en elektronische beeldsensoren, hebben het echter mogelijk gemaakt om steeds fijnere details en subtielere verschillen in weefseldichtheid te onderscheiden, terwijl er veel lagere belichtingsniveaus zijn gebruikt..

Bovendien combineert computertomografie (CT) meerdere röntgenfoto's tot een 3D-model van een interessegebied.

Net als bij CT kan synchrotron-tomografie driedimensionale beelden onthullen van inwendige structuren van objecten zoals technische componenten, volgens het Helmholtz Center for Materials and Energy.

Röntgentherapie

Stralingstherapie maakt gebruik van hoogenergetische straling om kankercellen te doden door hun DNA te beschadigen. Omdat de behandeling ook normale cellen kan beschadigen, beveelt het National Cancer Institute aan om de behandeling zorgvuldig te plannen om bijwerkingen te minimaliseren. 

Volgens het Amerikaanse Environmental Protection Agency zapt de zogenaamde ioniserende straling van röntgenstralen een gefocusseerd gebied met voldoende energie om elektronen volledig van atomen en moleculen te verwijderen, waardoor hun eigenschappen veranderen. Bij voldoende doses kan dit cellen beschadigen of vernietigen. Hoewel deze celschade kanker kan veroorzaken, kan het ook worden gebruikt om het te bestrijden. Door röntgenfoto's op kankertumoren te richten, kan het die abnormale cellen vernietigen. 

Röntgenastronomie

Volgens Robert Patterson, hoogleraar astronomie aan de Missouri State University, omvatten hemelse bronnen van röntgenstraling nauwe dubbelstersystemen met zwarte gaten of neutronensterren. In deze systemen kan het meer massieve en compacte stellaire overblijfsel materiaal van zijn begeleidende ster strippen om een ​​schijf te vormen van extreem heet röntgenstralend gas terwijl het naar binnen spiraalt. Bovendien kunnen superzware zwarte gaten in de centra van spiraalstelsels röntgenstralen uitzenden als ze sterren en gaswolken absorberen die binnen hun zwaartekrachtbereik vallen.. 

Röntgentelescopen gebruiken lage-hoekreflecties om deze hoogenergetische fotonen (licht) te focussen die anders door normale telescoopspiegels zouden gaan. Omdat de atmosfeer van de aarde de meeste röntgenstralen blokkeert, worden waarnemingen meestal uitgevoerd met behulp van ballonnen op grote hoogte of in een baan om de aarde draaiende telescopen. 

Aanvullende bronnen

• Download voor meer informatie deze pdf van SLAC met de titel "Early History of X-Rays."
• Het NDE / NDT Resource Center geeft informatie over niet-destructieve evaluatie / niet-destructieve testen. 
• Op de missiepagina van NASA over het elektromagnetisch spectrum wordt uitgelegd hoe astronomen röntgenstraling gebruiken.

Deze pagina is bijgewerkt op 5 oktober 2018 door hoofdredacteur, Jeanna Bryner.