Onthullend Bruno van Wayenburg TERAHERTZ-SCANNER KIJKT DWARS DOOR KLEDING HEEN Een nog onontgonnen elektromagnetisch golflengte-gebied tussen röntgenstraling en zichtbaar licht blijkt zich goed te lenen voor nieuwe detectietechnieken. In de recente spionage-actiefilm `xXx' komt een verrekijker voor waarmee de drager dwars door kleren heen kan kijken. Alleen ondergoed blijft om een of andere reden ondoordringbaar voor deze nieuwe geheime technologie. Alleen in dat laatste detail wijkt dit gadget af van de mogelijkheden van terahertz-straling, een nog onontgonnen gebied in het elektromagnetische stralingsspectrum. Terahertz-golven dringen door kleren, zand of papier, maar worden gereflecteerd door huid, metaal en massieve objecten. Handig voor beveiligingsdoeleinden, zoals de detectie van wapens of explosieven bij vliegtuigpassagiers, maar ook voor een trits andere toepassingen, van het opsporen van huidkankertot het vergroten van de bandbreedte van mobiele telefoonnetwerken. ``We zijn nog volop bezig met het zoeken naar toepassingen'', zegt dr. Paul Planken van de TU Delft, leider van één van het handjevol onderzoeksgroepen die zich hebben gestort op het vakgebied. ``We zitten eigenlijk nog in het stadium waarbij je gewoon maar dingen in de bundel houdt en kijkt wat je ziet.'' Terahertz-straling is elektromagnetische straling, met een golflengte tussen die van infrarood licht en radiogolven. Dat betekent een trillingsfrequentie van 0,1 tot 30 terahertz, vandaar de naam. De stralen zijn lastig op te wekken en te detecteren. De trillingen van het elektromagnetisch veld zijn te snel voor elektronische schakelingen die voor radiogolven wordt gebruikt. Maar de trillingsfrequentie is juist weer te laag voor gebruikelijke technieken om licht op te wekken of te detecteren. Die maken vaak gebruik van sprongen van elektronen tussen verschillende banen binnen het atoom, waarbij licht uitgezonden of geabsorbeerd wordt. Enkele onderzoekers werken aan bronnen in op maat gemaakte, vaak gecompliceerde, gelaagde halfgeleidermaterialen. Een eerste terahertz-laser op basis van dit principe werd eerder dit jaar aangekondigd, al werkt die alleen nog bij de lage temperatuur van 30 graden boven het absolute nulpunt. De groep van Planken kreeg het opwekken van terahertz-straling eenvoudiger voor elkaar. Hun bron is een goedkoop halfgeleiderkristal, galliumarsenide, met daarop twee elektroden die met zilververf aangesloten zijn. Wanneer er een elektrische spanning op staat, en er een laserpuls op valt, gaat het kristal opeens geleiden. Planken en collega's werken met extreem korte pulsen van 20 femtoseconden (miljoensten van een miljardste seconde). De abrupt veranderende elektrische stroom veroorzaakt een puls van straling in het terahertz-gebied. ``Het is een beetje als een bliksemflits, die storing geeft op de kortegolf'', zegt Planken, ``dat is ook een kanaal dat heel plotseling gaat geleiden.'' De eenvoud en de efficientie van het ontwerp hebben aardig stof doen opwaaien, verzekert de onderzoeker. Met de bron, aangevuurd door een continue stroom van laserpulsen hebben de Delftenaren een eenvoudige scanner gebouwd, om objecten door te lichten. De detectoren hebben een conventioneler ontwerp: het zijn bolometers, die de minieme verwarming meten van de straling, die selectief in het terahertz-gebied door een kleine antenne. Door alleen te meten als er een puls verwacht wordt, wordt achtergrondruis grotendeels geelimineerd. En nu houden de Delftenaren dus veel voorwerpen onder hun scanner. De website van de groep illustreert een experimentele aanpak: een terahertz-opname van een chocolade kindersurprise-ei verraadt een plastic roosje in het holle binnenste. Een grapje. Ook lichtte Planken stenen met potentiele fossielen door, geleend van het Leidse natuurhistorisch museum Naturalis, overigens zonder veel succes. ``Je ziet meer eigenaardigheden van de steensoort'', concludeert hij. Serieuzer is het doorlichten van stroomdraden. ``Een fabrikant wilde een manier om te bekijken hoe dik de plastic-laag om de metalen kern is'', legt Planken uit. Het werkt, maar een tikje prozaisch is wel, net als de enige toepassing die al regulier in gebruik is. Een sigarettenfabrikant controleert met een terahertz-scan of er in ieder pakje wel het beloofde aantal sigaretten zit. Maar Planken is ook al benaderd door kunsthistorici, die in het nieuwe frequentiegebied nieuwe mogelijkheden zien om door verflagen van oude schilderijen heen te turen. vouwingen Dat is mogelijk, omdat de absorptie en reflectie van de straling door een materiaal sterk afhangt van de chemische eigenschappen. Verschillende stoffen vertonen in het terahertz-gebied een verschillend spectrum, dat afhangt van de mogelijke trillingen binnen het molecuul of van moleculen onderling. Dat maakt de techniek bruikbaar voor chemici, biochemici of farmaceuten die chemische processen bestuderen en onderscheid willen maken tussen op elkaar lijkende moleculen. ``Je kunt onderscheid maken tussen verschillende vouwingen van eiwitten, of gemuteerd en ongemuteerd DNA'', zegt Planken. De mogelijkheid van spectroscopie gecombineerd met afbeeldingstechnieken, worden onder de loep genomen door het Britse bedrijf Teraview in Cambridge, dat een verrijdbare gepulste terahertz-bron met detector in huis heeft, en werkt aan aan beveiligingstoepasssingen als het detecteren van explosieven en wapens onder kleding en in bagage. Ook poederbrieven verrieden zich onder de scanner. Maar het paradepaardje van het bedrijf is het, overigens nog verkennende, onderzoek naar de mogelijkheid om bepaalde vormen van huidkanker vroeg op te sporen. Terahertz-straling is zelf hoogstwaarschijnlijk niet gevaarlijk voor de gezondheid. De energie van de fotonen is te laag om DNA te beschadigen en zo kanker te veroorzaken. Daar komt nog bij dat ieder voorwerp bij kamertemperatuur voortdurend terahertz-straling uitzendt, zodat we er toch al voortdurend in baden. Deze natuurlijke achtergrondstraling is te gebruiken om `passieve' beelden te maken, iets wat het onderzoekersteam Startiger dit jaar voor het eerst deed. Startiger is een speciaal project van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA samen met het Britse Rutherford Appleton laboratorium in Oxfordshire. In de korte tijd van vier maanden ontwikkelde het Startiger-team een kleine camera voor terahertz-straling. De eerste passieve beelden, van een hand, verschenen in september op de website. beweegbare spiegels ``In principe past hij in een flinke attachékoffer'', zegt Startiger-onderzoeker Peter de Maagt van ESA. In een doos in het ruimtevaartonderzoekscentrum ESTEC in Noordwijk ligt een stelsel van twee beweegbare spiegels, laat hij zien, die door een georkestreerde beweging een beeld van 1024 beeldelementen kunnen scannen. De straling wordt met de spiegels naar een kleine batterij van acht terahertz-detectors geleid, ``Het hart van de machine'', aldus De Maagt. Er zijn twee versies van: één gebaseerd op miniatuur-radio-ontvangers, die voor het eerst machinaal in een klen plakje halfgeleidermateriaal geetst zijn. De andere, wat geavanceerder versie is een kleine antenne voor terahertzgolven, geplaatst op een `fotonisch kristal', een nieuwigheid uit de natuurkunde. Het is een een stapeling van staafjes van siliciumoxide. De dikte van de staafjes is ongeveer gelijk aan de golflengte van terahertz-straling, waardoor het kristal straling uit ongewenste richtingen wegfiltert, en straling uit de gewenste richting als een lens concentreert. Omdat de te meten straling niet erg sterk is (in de orde van 10 Watt), doet de opstelling nog vier seconden over het meten van één passief terahertz-beeld, maar dat kan volgens De Maagt nog flink verbeterd worden. ESA mikt met de passieve detectie vooral op remote sensing, het met satellieten in de gaten houden van chemische processen in de atmosfeer, en op terahertz-astronomie, de andere civiele toepassing die sinds een paar jaar in gebruik is. De mogelijkheden van passieve terahertz-detectie voor beveiliging en militaire surveillantie verklaren de interesse van de Britse militaire onderzoeksorganisatie Qinetiq in het project. ``Die hebben nu nog apparatuur die past in een vrachtwagen, en het meten duurt een stuk langer'', weet De Maagt. Beelden van die apparatuur geven een idee hoe het eruit zal zien als terahertz-video ooit beschikbaar wordt. Van een geklede, gewapende man zijn riem en een glimmende bierbuik duidelijk te zien, net als het pistool onder zijn broek. Van zijn kleren, inclusief ondergoed, ontbreekt ieder spoor. Datum:  14-12-2002 Sectie:  Wetenschap, Onderwijs Pagina:  37 Foto-onderschrift:   Geheel boven Peter de Maagt van ESA demonstreert een prototype terahertzcamera. Boven Door `resampling' worden de beelden van zijn handsteeds scherper. Valse kleuren geven nog meer detailinformatie. FOTO'S FLORIS LEEUWENBERG/ TCS Trefwoord:   Optische instrumenten; Natuurkunde; Wetenschap en Techniek; Exacte Wetenschappen; Technische Wetenschappen; Instrumenten en Apparaten Op dit artikel rust auteursrecht van NRC Handelsblad BV, respectievelijk van de oorspronkelijke auteur.