Bij medische toepassingen van röntgenstraling moeten de stralingsdoses vanwege gezondheidsrisico's zo klein mogelijk zijn. Om de doses te kunnen verkleinen wordt in röntgen-apparaten een beeldversterker toegepast. Dat is een instrument waarmee het mogelijk is bij minimaal licht toch visueel waar te nemen: het licht wordt omgezet in elektronen die door een elektrisch veld worden versterkt en daarna weer omgezet in krachtiger licht.
De zogenaamde röntgen-beeldversterker werkt op een vergelijkbare manier. Een 'scintillator' vangt de röntgenstralen op nadat die het lichaam van de patiënt hebben doorkruist, en zet ze om in elektronen. Die worden door een elektrisch veld versterkt en botsen daarna op een scherm met een speciaal laagje dat ze weer omzet in licht. Resultaat: beter röntgenbeeld.
Dat speciale omzetlaagje is gebaseerd op het natuurkundig principe van luminescentie: sommige materialen reageren op een excitatie-impuls (zoals inslaande elektronen of fotonen) met een snelle respons in de vorm van licht. Als het licht kortstondig (dat wil zeggen korter dan 1 seconde) wordt uitgestraald heet dit fluorescentie, anders fosforescentie.
Een bekend luminescentiemateriaal is zinksulfide, meestal in combinatie met een 'dope' (een toevoeging van andere stoffen in minieme concentraties: 1 atoom per duizend). Zinksulfide wordt in televisie-beeldbuizen gebruikt voor de kleuren groen (zinksulfide met aluminium, koper en goud) en blauw (zinksulfide met aluminium en zilver); voor de kleur rood wordt een yttriumoxideverbinding gebruikt. In de groene beeldschermen van röntgen-beeldversterkers wordt momenteel zink-cadmium-sulfide toegepast.
Zink-cadmium-sulfide heeft echter nadelen. Cadmium is een kankerverwekkend, milieu-onvriendelijk goedje dat in EU-verband verboden wordt. Daarnaast is de resolutie van beeldschermen op basis van zink-cadmium-sulfide niet optimaal. Martín González: 'Het luminescentielaagje bestaat namelijk uit gestapelde korreltjes. Een zuiltjes-structuur zou beter zijn. Elk zuiltje gedraagt zich dan als een lichtdoorlatend glasvezelkabeltje, waarbij de resolutie wordt bepaald door de diameter van het zuiltje (hoe kleiner, hoe beter) en de mate waarin de zuiltjes opeengepakt zijn in de laag.'
Aanleiding voor het promotie-onderzoek van Martín González was de wens van Philips Medical Systems (Heerlen) om een milieuvriendelijk hoge-resolutie beeldscherm voor röntgen-beeldversterkers te ontwikkelen. Het bedrijf klopte daartoe aan bij de UT. In 1987 ging een promovendus van start; deze hield het na twee jaar voor gezien. In 1990 mocht Martín González, afkomstig uit Gijón (Spanje), onder leiding van prof.dr. Th. Popma en dr. P. Lambeck aan de klus beginnen. Het derde geldstroom-project werd uitgevoerd bij MESA/CMO en behalve door Philips gefinancierd vanuit het Stimuleringsprogramma Medische Technologie van het ministerie van EZ (STIPT).
Het onderzoek van Martín González had twee doelstellingen. Allereerst het vinden van een luminescentiemateriaal dat zink-cadmium-sulfide in röntgen-beeldversterkers zou kunnen vervangen. De eisen waren hoog. Het zou een groen-licht uitstralende dunnelaag moeten zijn van zinksulfide, met een dope zonder cadmium, met een maximale scherpte (zuiltjes-structuur), een hoog energierendement (zuiltjes dicht opeen), en een zekere diepte (om te voorkomen dat de elektronen door het laagje heenschieten).
Daarnaast moest het project uitwijzen of voor het maken van dunnelagen van zo'n nieuw materiaal de 'chemische aerosol depositie technologie' (CADT) een geschikte methode was. De conventionele techniek voor het maken vandunnelagen van zink-cadmium-sulfide, waarbij het stapelen van de korreltjes 'nat-chemisch' gebeurt, leidde immers niet tot de gewenste resolutie.
MESA was een goede plek voor dit deel van het onderzoek, zegt Martín González. De CADT-techniek voor dunnefilm-depositie was in Twente al eerder gebruikt, en wel bij het maken van dunnelagen van hoge-Tc-supergeleiders. En daarnaast had Martín González' promotor Popma zelf in de jaren tachtig bij Philips Natlab ook nog onderzoek gedaan naar de principes van de techniek. 'Daar heeft hij nog een paar patenten aan overgehouden.'
De keuze van de juiste dope van het luminescentiemateriaal was het eerste probleem. Het eerder genoemde, voor de kleur groen in televisie-beeldbuizen gebruikte zinksulfide met aluminium, koper en goud, voldoet qua rendement niet voor röntgen-toepassingen. Uiteindelijk kwam Martín González uit op zink-koper-chloor-sulfide (zinksulfide met een dope van koper en chloor). Dat materiaal leverde ook de gewenste groene kleur licht op.
Het belang van de kleur groen was aanvankelijk dat deze kleur het meest geschikt is voor de waarneming van röntgenbeelden met het blote oog of een gewone röntgencamera. Maar dat is inmiddels veranderd, zegt Martín González. 'De belang van de groene kleur is minder geworden omdat je tegenwoordig niet meer met het blote oog of een gewone camera waarneemt, maar met een CCD-camera die het beeld elektronisch tot monitor-formaat vergroot en die bovendien voor elke kleur gevoelig kan worden gemaakt. Het belangrijkste criterium voor de luminescentielaag is daarmee nu het energierendement van het materiaal: hoe hoger hoe beter', aldus Martín González.
De introduktie van CCD-camera's maakte overigens voor de luminescentielaag de giftige cadmiumverbindingen niet per definitie overbodig, zegt Martín González. 'Hoewel je zink-cadmium-sulfide niet langer meer nodig had vanwege de noodzaak van het bereiken van een groene kleur licht, was deze verbinding nog altijd wel degene met het hoogste energierendement.'
Het tweede onderdeel van Martín González' onderzoek was het daadwerkelijk maken van (de dunne lagen van) zinksulfide met behulp van de chemische aerosol depositie technologie, waarbij het laagje zinksulfide aangroeit op een dragermateriaal vanuit een vernevelde wolk van ingrediënten.
'Er zijn geen geschikte CADT-reactoren in de handel verkrijgbaar', zegt Martín González. 'We moesten ze dus zelf ontwerpen.' De gewenste chemische reactie bepaalde daarbij de geometrie van de reactor. Uiteindelijk werden twee verschillende typen ontwikkeld: de 'stagnatiepunt-flow-reactor', met name gebruikt voor het optimaliseren van het luminescentielaagje, en de 'verticale-hete-wand-buis-aerosol-reactor', waarmee vooral het onderzoek naar het mechanisme van de chemische reactie is verricht.
Voor de stagnatiepunt-flow-reactor sloot Martín González aan bij het ontwerp van de door de toenmalige Twentse promovendus dr. Q. Tang (eveneens onder leiding van Popma en Lambeck) ontwikkelde CADT-reactor. Daarmee had Tang indertijd korrelvormige supergeleidende dunnelaagjes van yttrium-barium-koperoxide weten op te dampen. Deze reactor werd tijdens het onderzoek in een terugkoppelingsproces voortdurend bijgesteld.
Bij de stagnatiepunt-flow-reactor worden de in ethanol opgeloste ingrediënten door een speciale sproeikop (nozzle) verneveld en van bovenaf op een horizontaal 500-550 graden Celsius heet glasoppervlak gesproeid. Het wolkje blijft als gevolg van zogeheten thermoforese op een warmtekussentje net boven het oppervlak hangen (vandaar stagnatiepunt) en verspreidt zich daarna egaal. Vervolgens slaat de stof neer als dunne laag.
De reactor heeft een groot voordeel, vertelt Martín González: 'Je maakt in één stap de dunnelaag en brengt die op het glasscherm aan. Bij conventionele aerosol-methoden maak je eerst het materiaal, selecteert dan de juiste korrelgrootte en laat die vervolgens op glas afzinken.' Voor produktie-opstellingen is de reactor echter niet ideaal. Daarvoor moet de flow homogener zijn en de dampdruk van de wolk dichtbij het oppervlak groter.
Daarom ontwikkelde Martín González vervolgens de verticale-hete-wand-buis-aerosol-reactor. Een anderhalve meter groot gevaarte met een uitschuifbare oven waarbinnen vier op korte afstand van de glasplaten geplaatste sproeikoppen de zinksulfide-ingrediënten niet op maar langs het oppervlak sproeien, en wel omhoog, zodat het materiaal niet kan 'druppelen'.
Met deze twee speciaal ontworpen reactoren wist Martín González mooie dunnelagen van zink-koper-chloor-sulfide te vervaardigen. Daarbij groeit eerst een basislaagje van 0,1 tot 0,5 micrometer dikte, en daarop ontstaat een zuiltjes- of kolommenstructuur van polykristallijn hexagonaal zink-koper-chloor-sulfide met een ideale voorkeursorintatie loodrecht op het substraatoppervlak. De zuiltje zijn tot 1 micrometer groot.
Deze dunnelagen hebben de juiste eigenschappen voor toepassing in röntgen-beeldversterkers, zegt Martín González. Zo is de dichtheid voldoende om de elektronen zodanig af te remmen dat ze niet door het laagje heenschieten. De luminescentie-eigenschappen zijn vergelijkbaar met die van commercieel verkrijgbare poederfosforlagen. Martín González concludeert tevens dat de CADT-techniek als fabrikagetechniek voldoet. Deze heeft bovendien het voordeel dat ze goedkoop is en geschikt voor grote oppervlakken.
Francisco Javier Martín González (EL)
SEM-opname van dunnelaag van zinksulfide met duidelijk zichtbare zuiltjes-structuur.
