Het natuurkundige fenomeen achter MRI, de nucleaire magnetische resonantie (NMR), werd in de jaren 1930 ontdekt door Felix Bloch (1905-1983) en Edward Purcell (1912-1997).

Het gebruik van NMR voor MRI begon begin jaren 1970, toen onderzoekers het potentieel van NMR voor het maken van beelden van het menselijk lichaam herkenden. Dr. Raymond Damadian (1936 –2022) , een arts en onderzoeker, was een van de eersten die het idee opperde om NMR te gebruiken om kankerweefsel te detecteren. In 1971 publiceerde R. Damadian een baanbrekend artikel waarin hij aantoonde dat NMR onderscheid kon maken tussen normaal en kankerweefsel, wat interesse wekte in de medische wereld.

Paul Christian Lauterbur (1929 – 2007) was een Amerikaanse chemicus. Hij ontwikkelde in 1971 een techniek om ruimtelijke informatie te coderen in een NMR-signaal met behulp van magnetische veldgradiënten. In 1985 werd hij hoogleraar aan de University of Illinois in Urbana-Champaign, waar hij 22 jaar lang tot aan zijn dood bleef. Hij is nooit gestopt met het werken met studenten aan onderzoek. In 2003 deelde hij met Peter Mansfield (1933 – 2017) de Nobelprijs voor Fysiologie en Geneeskunde voor zijn werk in Magnetic Resonance Imaging (MRI).

Rond die Nobelprijs ontstond een controverse toen hij paginagrote advertenties plaatste in The New York Times, The Washington Post en The Los Angeles Times met als kop “The Shameful Wrong That Must Be Righted“. Hierin klaagt hij aan dat het Nobelcomité hem niet had opgenomen als prijswinnaar naast P. C. Lauterbur en P. Mansfield voor zijn vroege werk aan de MRI. R. Damadian beweerde dat hij MRI had ontdekt en dat de twee Nobelprijswinnende wetenschappers zijn technologie enkel verfijnden.

Het eerste MRI-onderzoek op een levende menselijke patiënt vond plaats op 3 juli 1977.

In de medische beeldvorming wordt MRI vooral gebruikt voor het in beeld brengen van het centrale zenuwstelsel (hersenen en ruggenmerg), spieren, hart en tumoren. Dankzij verschillende sequenties van bestraling kunnen met hogere contrasten dan bij CT-scans zachte weefsels worden bekeken.

Meting van T1 en van T2 leveren andere informatie zoals uit onderstaande afbeelding blijkt.

MRI-beelden zijn niet geschikt voor onderzoek van bot (hard weefsel) omdat het te weinig waterstof bevat.

In tegenstelling tot andere beeldvormende technieken is het MRI, zoals PET onderzoek, niet- invasief en wordt de proefpersoon bijvoorbeeld niet radioactief bestraald. Het is daarom een hulpmiddel bij uitstek voor onderzoek waarbij mensen betrokken zijn, met name in de cognitieve neuro- wetenschap. Vandaag kan de activiteit van verschillende hersengebieden worden gemeten. Dit heeft geleid tot aanzienlijke vooruitgang in het onderzoek naar de neurobiologische grondslagen van het denken.

Na jaren van ontwikkeling is vandaag MRI een krachtige techniek geworden op het gebied van medische beeldvorming en is voortdurend in ontwikkeling.

Supergeleiding: als er een stroom gestuurd wordt in een gesloten kring uit supergeleidend materiaal zal deze stroom ook zonder aangelegde elektrische spanning blijven rondstromen. Gezien elektrische stroom een magnetisch veld opwekt, kan men op deze manier een permanent magnetisch veld opwekken.

Een belangrijke stap vooruit gebeurde in 1933. Walther Meisner ontdekte samen met zijn assistent Robert Ochsenfeld dat een supergeleider onder een bepaalde kritische temperatuur (Tc) een extern aangebracht magnetisch veld afstoot en er binnen de supergeleider geen magnetisch veld heerst. Dit verschijnsel noemt men diamagnetisme. De magnetische veldlijnen worden als het ware om de supergeleider heen gebogen. Deze oppervlaktestromen zijn zodanig georganiseerd dat het inwendige van de supergeleider afgeschermd wordt voor het uitwendige magnetisch veld.

Supergeleidende magneten vinden veel toepassingen. Een groot nadeel is echter dat supergeleiding in de meeste materialen slechts bij bijzonder lage temperaturen optreedt, enkele graden boven het absolute nulpunt. Supergeleidende magneten moeten dus met grote en kostbare installaties worden gekoeld, dikwijls met vloeibaar helium (Kookpunt: -268,9 °C)

In de jaren 1980 en 1990 vond men ook supergeleiding bij veel hogere temperaturen in keramische materialen die o.a. koper en zuurstof bevatten. Zo ontdekten Georg Bednorz (°1950) en Karl Müller(°1927) in 1986 een supergeleidend keramisch materiaal met een kritische temperatuur van 35 K. In 1987 kregen ze hiervoor de Nobelprijs voor Natuurkunde. In 1987 werd nog een ander materiaal ontdekt met een kritische temperatuur boven 90 K. Dat is een stuk boven het kookpunt van stikstofgas (77 K) dat veel gemakkelijker te hanteren is dan vloeibaar helium (4 K).

Keramische supergeleiders zijn echter bros (gemakkelijk breekbaar) en dus moeilijk in gebruik.

In praktische toepassingen vinden we voorlopig nog voornamelijk supergeleidende metalen zoals koper en kwik, die met vloeibaar helium gekoeld moeten worden. Het bekendste voorbeeld is wellicht de MRI-scanner in de ziekenhuizen. Om de grote magnetische velden op te wekken zonder enorme warmteontwikkeling gebruikt men supergeleidende spoelen als elektromagneet.

De fysische achtergrond is het foto-elektrisch effect (zie Max Planck-zaal). Voortbouwend op een toevallige observatie van Heinrich Hertz ontdekte Willehelm Hallwachs het in 1888 toen hij vast stelde dat licht elektrische ladingen uit een metaal kan los rukken. Albert Einstein vond er in 1905 een verklaring voor door te stellen dat licht uit kwanta bestaat.

Tegenwoordig wordt het metaal waarmee de eerste experimenten van het foto-elektrisch effect werden uitgevoerd vervangen door een halfgeleider. Hierdoor geeft de huidige zonnecel voldoende rendement om de kern te worden van zonne-energie, een hernieuwbare en duurzame energiebron. Zonnepanelen worden steeds belangrijker in onze zoektocht naar alternatieven voor fossiele brandstoffen.

In 1839 onderzoekt de Franse geleerde Edmond Becquerel (1820 – 1891) de effecten van licht op een elektrolytische cel (de voorloper van de batterij) met twee platina-elektroden in een zure oplossing. Daarbij ontdekt hij dat de spanning tussen de elektroden toeneemt als de zilverplaten van de cel worden blootgesteld aan zonlicht. Dit is de ontdekking van het fotovoltaïsche effect.

Tussen de eerste ontdekking van de foto-voltaïsche cel door E. Becquerel en de installatie van zonnepanelen in woonhuizen is men het foto-voltaïsche systeem gaan gebruiken in meerdere gebieden.

Dit mag  niet verward worden met het  foto-elektrisch effect, waarbij specifiek elektronen uit een materiaal worden uitgestoten wanneer er licht op schijnt. Het  werd veel later in 1888 ontdekt door Wilhelm Hallwachs. Het foto-elektrisch effect verklaart het fotovoltaïsch effect. Tegenwoordig worden fotovoltaïsche cellen gebruikt als zonnecellen in zonnepanelen.

Zonnecellen zoals we die nu kennen zijn gemaakt van silicium. Daarom beschouwen sommigen Daryl Chapin, Calvin Fuller en Gerald Pearson’s, die de eerste silicium fotovoltaïsche cel bij Bell Labs in 1954 ontwikkelden, als de ware uitvinders van zonnepanelen. Deze cel kon een elektrisch apparaat meerdere uren per dag van stroom voorzien.

De allereerste siliciumzonnecel kan zonlicht omzetten met een efficiëntie van vier procent, minder dan een kwart van waartoe moderne cellen in staat zijn. Het eerste ruimtevaartuig dat zonne-energie in de ruimte gebruikte, was Vanguard 1, gelanceerd door de Verenigde Staten in 1958. Deze satelliet gebruikte zonnepanelen om een van haar radiozenders van stroom te voorzien. Dit was een belangrijke mijlpaal in de verkenning van de ruimte. In 1981 wordt het eerste vliegtuig op zonne-energie gebouwd.

Zonne-energie werd rond 2020 op sommige locaties de goedkoopste energiebron in de geschiedenis voor nieuwe elektriciteitsopwekking en zal naar verwachting tegen 2025 op veel meer locaties de goedkoopste worden. Deze verschuiving wordt voornamelijk gedreven door aanzienlijke kostenverlagingen bij de productie en installatie van zonnepanelen, samen met ondersteunend overheidsbeleid en een groeiende wereldwijde capaciteit.

Het basisprincipe van een zonnecel is het foto-elektrisch effect, maar in een zonnecel of zonnepaneel spreekt men eerder van fotovoltaïsch effect. Het fotovoltaïsch effect is het proces in een halfgeleider (doorgaans twee lagen silicium in nauw contact met elkaar die verschillend zijn gedopeerd, N en P; zie tafereel 1 ). Er ontstaat een elektrische spanning tussen beide lagen wanneer de halfgeleider door licht wordt bestraald.

Wanneer een foton met voldoende energie op de overgangszone van een fotovoltaïsche cel valt, komt een elektron vrij van het siliciumatoom, waardoor een gat ontstaat. Dit elektron beweegt zich onder invloed van het elektrische veld naar de N-zijde, terwijl het gat naar de P-zijde migreert (excitatie van een elektron van de valentieband naar de geleidingsband). Dankzij de fotonen, die hun energie overdragen aan de elektronen, ontstaat er een beweging van elektrische ladingen en ontstaat er een stroom in een gesloten stroomkring.

1. Wanneer zonlicht op de cel schijnt, bombarderen fotonen (lichtdeeltjes) het bovenoppervlak.
2. De fotonen dragen hun energie naar beneden door de cel.
3. De fotonen geven hun energie af aan elektronen in de onderste P-type laag.
4. De elektronen gebruiken deze energie om over de barrière naar de bovenste N-type laag te springen en naar het circuit te ontsnappen.
5. De elektronen stromen rond het circuit en laten de lamp oplichten.

Het verkregen elektrisch vermogen is evenredig met het vermogen van het invallende licht en is afhankelijk van de efficiëntie van de cel. De cel levert een continue spanning en er loopt stroom doorheen zodra deze is aangesloten op een elektrische belasting, soms een eenvoudige elektrische batterij. De zonnecellen worden vaak gegroepeerd in fotovoltaïsche zonnepanelen, in de vorm van dunne platen, ongeveer tien centimeter lang en breed, afhankelijk van het benodigde vermogen.

De meest voorkomende zonnecellen zijn gemaakt van halfgeleiders op basis van silicium. Maar er worden ook andere halfgeleiders gebruikt zoals koper-indiumselenide of CIS, koper-indium-galliumselenide, ook wel CIGS genoemd, cadmiumtelluride en andere.

Het fotovoltaïsch effect ligt aan de basis van o.a. fotodiodes en fototransistors. Die vindt men als componenten terug in atoomklokken, in MRI scanners, lasers, led, voor controle van materialen, het lezen van streepjescodes, het veilig sluiten van liftdeuren.

Qua residentieel gebruik worden zonnepanelen vooral geplaatst op de daken voor elektriciteitsvoorziening, bijvoorbeeld voor huishoudelijk gebruik van warmteboilers. In de commerciële sector vindt men ze op grote schaal in zonneparken. Het zijn oplossingen voor de energielevering in ver afgelegen gebieden bv. Afrika. Maar men vindt deze ook in toenemende mate bij ons. Vandaag zijn zonnepanelen ook geïntegreerd in het transportsysteem met de laadstations en in voertuigen, boten en vliegtuigen.

Fotovoltaïsche systemen zijn ‘clean’ en duurzaam, ze zijn overal inzetbaar en vragen weinig onderhoud. Hun nut voor de elektriciteitsproductie is echter afhankelijk van de meteorologische omstandigheden: zonder energieopslagsystemen zijn ze ‘s nachts niet nuttig. Ze hebben de afgelopen jaren aan populariteit gewonnen vanwege hun milieuvriendelijke en duurzame karakter. Door onderzoek zal hun kwaliteit nog verbeteren.

Zo vliegen we in de toekomst?

De Japanse Maglev rijdt in een U-vormige stroom geleidende baan in plaats van op een rail. In de verticale zijkanten van de geleidende baan zijn supergeleidende elektromagneten met wisselende polarisatie geplaatst. Deze elektromagneten zorgen ervoor dat de trein in het midden van de baan blijft zweven en met behulp van wisselstroom wordt voortgestuwd.

Real Engeneering: Maglev trein (17 min.)

De spoelen op de wanden van geleidende banen zijn geplaatst in de vorm van een ‘8’ en werken volgens het principe van elektromagnetische inductie. Eigenlijk ontstaat er stroom door het voorbij rijden van de trein. Daarom heeft de trein wielen die worden ingetrokken als de trein een snelheid van 160 km/u bereikt.

Op de zijwanden van de geleidende baan zijn de levitatiespoelen aangebracht. Wanneer de super-geleidende magneten aan boord van het voertuig met hoge snelheid passeren, wordt er een elektrische stroom in de wikkelingen geïnduceerd, die vervolgens als elektromagneten gaan werken. Deze geïnduceerde stroom veroorzaakt afstoting in de onderste lus van de ‘8’ en aantrekking in de bovenste lus. Dit betekent dat de trein zich altijd precies in het midden van de geleidende baan bevindt.

Over het gehele spoor zijn voortstuwingsspoelen aangebracht. Ze bevinden zich aan beide zijden op de zijwanden en worden aangedreven door wisselstroom (driefasen-wisselstroom), waarvan de frequentie evenredig is met de snelheid van de trein. De supergeleidende magneten aan boord van de trein worden aangetrokken en afgestoten door het verplaatste gedeelte, waardoor het magneetzweefvoertuig wordt voortgestuwd.

Zo worden de polen van elke spoel omgedraaid, waardoor de spoel van de trein, die er net voor reed, wordt afgestoten en de spoel die erna komt, wordt aangetrokken. Alle krachten die op de trein worden uitgeoefend, zorgen ervoor dat deze in dezelfde richting wordt voortbewogen.

JR Maglev-Lev opgelicht door afstoting tussen gelijknamige polen en op rail gehouden door magnetische afstoting.

De geleiding voor de magneetzweeftrein: de trein is naar rechts verplaatst – de magneten in de trein veroorzaken een stroom in de spoelen naast de trein (de geleidingsbaan) die de trein naar links naar het midden duwt.

Het diagram is vanuit een perspectief boven de trein en laat zien hoe de trein zich voortbeweegt, door aangetrokken te worden door de volgende elektromagneet en afgestoten te worden door de vorige.

De beste optische microscopen zijn beperkt tot een vergroting van 2.500 keer. De hogere resolutie en vergroting van de elektronenmicroscoop zijn het gevolg van het feit dat de-Broglie-golflengte van een elektron veel kleiner is dan de golflengte van een foton (zie Schrödinger). De resolutie van deze microscopen is afhankelijk van de golflengte van de straling die men gebruikt.
In de elektronenmicroscopen ligt de typische versnelspanning voor de elektronen tussen 100 en 400 kV. Bij 400 kV is dat ongeveer 3,23 picometer (1 pm = 10^-3 nm), bij 100 kV 4 pm).

Het principe is vergelijkbaar met dat van de optische microscoop. Daar worden glazen lenzen gebruikt om licht op het voorwerp te convergeren. Om in een elektronenmicroscoop het beeld te vormen stuurt men de elektronenbundel door elektrostatische en elektromagnetische lenzen om deze te laten convergeren op het te observeren voorwerp.

Animatie electronenmicroscoop (Engels, 8:43)

Het eerste prototype van een elektronenmicroscoop werd in 1931 gebouwd door de Duitse ingenieurs Ernst Ruska (1906 – 1988) en Max Knoll (1897 -1 969). Siemens AG produceerde in 1938 de eerste commerciële elektronenmicroscoop. Hoewel moderne elektronen-microscopen objecten tot wel twee miljoen keer kunnen vergroten, zijn ze nog steeds gebaseerd op het Ruska-prototype.

Na de ontdekking van de optische microscoop door o.a. Antoni Van Leeuwenhoek (1632 – 1723), ook de grondlegger van de microbiologie, is de elektronenmicroscoop is een van de belangrijkste ontdekkingen in de geschiedenis van de microscopie.

De elektronenmicroscoop is een onmisbaar apparaat in veel laboratoria.

Er bestaan verschillende types zoals transmissie TEM (Transmission Electron Microscope), reflecterende elektronenmicroscopen (Scanning Electron Microscope) en zelfs X-Ray scanning elektronmicroscopen REM, een combinatie van X-stalen beeldvorming en elektronen-microscopie, waar men fenomenen tot op het moleculair niveau kan volgen.

Deze laatste is natuurlijk zeer interessant voor scheikundig onderzoek. Onderzoekers gebruiken ze ook dikwijls om biologische materialen (zoals micro-organismen en cellen), medische biopsiemonsters te bekijken en ook in de studie van metalen en kristalstructuren om o.a. de kenmerken van verschillende oppervlakken te onderzoeken. De elektronenmicroscoop wordt ook veel gebruikt voor inspectie, kwaliteits- en faalanalyse van toepassingen in de industrie , waaronder de productie van halfgeleiders.

De scanning-transmissie-elektronenmicroscoop (STEM) wordt gebruikt om onderscheid te maken tussen moleculen, die slechts door een enkel neutron op een enkel atoom verschillen. De elektronenbundel kan veranderingen in de minuscule moleculaire trillingen van een aminozuur veroorzaakt door het extra neutron opvangen zonder het monster te beschadigen en met een ongekende ruimtelijke resolutie.

Het is nu ook mogelijk om chemische isotopen op subnano metrische schaal te identificeren.

Met deze grote resolutie kan men op isotopisch vlak zaken construeren en de constructie opvolgen.

Cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM) met tomografie is een techniek die gebruikt wordt om driedimensionale (3D) beelden van biomoleculen en cellen te maken, vooral in hun natuurlijke, bevroren toestand. Door een monster onder een elektronenmicroscoop te kantelen en meerdere 2D-beelden te verzamelen, kan een 3D-reconstructie (een tomogram) worden gemaakt. Deze methode biedt een unieke kijk op de structuur en interacties van biomoleculen binnen hun cellulaire omgeving.

De lasertechnologie staat centraal in het bredere gebied van de fotonica en is een veel gebruikte techniek geworden omdat laserlicht een aantal zeer speciale eigenschappen heeft. Het is monochromatisch en intens. Deze eigenschappen, die laserlicht zeer interessant maken voor veel toepassingen, zijn voor een groot deel het gevolg van de zeer hoge mate van ruimtelijke en/of temporele coherentie van laserstraling.

Richting gebonden emissie is typerend voor lasers. Het licht verschijnt als een goed gerichte straal doordat zijn hoge ruimtelijke coherentie over lange afstanden kan bewaard worden zonder veel divergentie of uitwaaiering, vaak alleen beperkt door diffractie. Bovendien kan worden gefocust op zeer kleine plekken. Het heeft vaak een zeer kleine optische bandbreedte (klein aantal golflengtes/hoge temporele coherentie), terwijl bijvoorbeeld de meeste lampen licht uitzenden met een zeer breed optisch spectrum.

Naast continue uitzending is ook gepulste emissie mogelijk, soms met extreem korte pulsen van microseconden tot enkele femtoseconden (10 ^-15) en een hoog piekvermogen. De temporele concentratie van pulsenergie – naast het potentieel van sterke ruimtelijke opsluiting in een bundelfocus – maakt het mogelijk om nog veel sterker laserlicht te genereren.

Er zijn meer dan 60 jaar verstreken sinds de eerste demonstratie van een laser in 1960. Na de eerste interesse sprak men over lasers als “een oplossing die wacht op een probleem”. Beetje bij beetje hebben de toepassingen zich uitgebreid tot gebieden, die zo divers zijn als DNA-sequencing, de productie van consumentenelektronica of het bevriezen van de beweging van elektronen rond atomen. De meeste van deze toepassingen zouden simpelweg niet mogelijk zijn geweest zonder lasers.

Om de relevantie van lasers in de natuurkunde te begrijpen, is het voldoende om op te merken dat geen enkele andere door de mens gemaakte bron pulsen kan genereren die zo kort zijn als laserpulsen — nu korter dan 10^-16 s –  of die absolute frequenties kan meten met een nauwkeurigheid van de grootte orde van 10^-15!

Het startte allemaal met de ‘ruby-laser’ die vandaag nog zelden gebruikt wordt. De eerste laser was een gepulste lamp-gepompte robijnlaser (een vastestoflaser), gedemonstreerd door Theodore Maiman(1927-2007) in 1960.

In hetzelfde jaar werden de eerste gaslaser (een helium-neonlaser ) en de eerste laserdiode gemaakt. Vóór dit experimentele werk hadden o.a. Arthur Schawlow (1921 – 1999) en Charles Hard Townes (1915 – 2015, Nobelprijs1964) maar ook Nikolay Basov en Alexander Prokhorov baanbrekend theoretisch werk gepubliceerd over de werkingsprincipes van lasers, en masers (MASER microgolfversterker was in 1953 ontwikkeld door de onderzoeksgroep van Townes (MA SER = microgolfversterking door gestimuleerde versterking van straling). De maser werd later vervangen door de laser).

De voornaamste samenstellende delen van een laser zijn het actieve lasermedium, de externe pompbron, en de resonator.

In een conventionele (incoherente) lichtbron zoals een gloeilamp of een ster zendt elk atoom, dat wordt geëxciteerd naar een aangeslagen toestand, bij terugval naar een lagere energie toestand een foton van bepaalde energie uit. Er ontstaat straling in alle richtingen met verschillende golflengten en zonder onderlinge relaties tussen individuele fotonen.

Dit wordt spontane emissie genoemd (zie Niels Bohrzaal). Albert Einstein voorspelde dat geëxciteerde atomen ook de opgeslagen energie in licht konden omzetten door een proces dat gestimuleerde emissie wordt genoemd.

Dit proces begint doorgaans met een geëxciteerd atoom dat eerst een foton produceert door spontane emissie. Wanneer dit foton een ander geëxciteerd atoom bereikt, stimuleert de interactie met dat atoom de uitstraling een tweede foton. Dit proces heeft twee belangrijke kenmerken.

Het is ten eerste een multiplicatie: één foton worden er twee. Als deze twee fotonen interacteren met twee andere geëxciteerde atomen, levert dit in totaal vier fotonen op, enzovoort.

Ten tweede, en wel het belangrijkste, is dat deze twee fotonen identieke eigenschappen hebben met het eerste d.w.z. golflengte, richting, fase en polarisatie. Deze mogelijkheid om licht te ‘versterken’ tot een groot aantal geëxciteerde atomen leidt tot een ‘optische winst’ die de basis vormt van de laserwerking.

Dit verschijnsel grijpt niet plaats in eender welke stof. Er moet dus eerst een goed actief lasermedium gevonden worden dat met een aangepaste energiebron (externe pomp) wordt geëxciteerd. Men beschikt vandaag over heel wat vaste, vloeibare en gasvormige materialen, die onder geschikte pompomstandigheden het multiplicatie-effect vertonen.

In het geval van de laser kan de input- of pomp-energie verschillende vormen aannemen. De twee meest voorkomende zijn optisch en elektrisch. Voor optisch pompen kan de energiebron een gewone lamp of vaker nog een andere laser zijn. Elektrisch pompen kan via een DC-gelijkstroom (zoals in laserdioden), een elektrische ontlading of een excimeer. Een excimeer is een kortlevende moleculaire verbinding die alleen in een aangeslagen toestand bestaat, en in de grondtoestand direct weer uiteenvalt, zoals Ar2* en Xe2*ArF of KrF. De inputenergie kan ook geleverd worden door een radiofrequentie ontlading (in de meeste CO2-lasers) of soms met andere middelen zoals een bundel snelle elektronen of de energie van een chemische reactie.

Het basisprincipe van lasers kan goed worden begrepen door te bedenken hoe licht gedurende langere tijd kan worden ‘opgeslagen’.

Ten eerste moeten we licht op een of andere manier ruimtelijk opsluiten, zodat het niet aan het apparaat kan ontsnappen.

Ten tweede moet om het optische vermogen te verhogen – ondanks onvermijdelijke verliezen door verstrooiing op niet-perfecte spiegeloppervlakken – langs de optische as van de resonator het ‘lasermedium’ aangebracht worden. Dat lasermedium kan een kristal, halfgeleider, gas of vloeistof zijn waar licht wordt doorgestuurd.

Vervolgens voegt de externe pompbron door gestimuleerde emissie een foton aan de al bestaande lichtbundel toe.

Afhankelijk van het type laserversterkingsmedium zijn er zeer verschillende mechanismen om die excitatie te produceren en moet in ieder geval ook de energie-input worden voorzien.

Om nu een bruikbare laserstraal te genereren moet één van de resonatorspiegels slechts gedeeltelijk reflecterend zijn zodat een deel van het licht kan ontsnappen. De optische as met de zeer hoge optische versterking zal ook de voortplantingsrichting van de laserstraal zijn.

Naast de lasers die continu werken, zijn er ook die in een gepulseerde modus ‘laseren’, zodat er laserpulsen worden uitgezonden.

Mocht er in eerste instantie geen licht aanwezig zijn, dan kan het lasermedium fluorescentie-licht uitzenden, waarvan een deel van de fotonen de juiste voortplantingsrichting hebben en zo in de resonator worden opgevangen. Zelfs als dat in eerste instantie zwak is, kan het na veel heen en weer toch door gestimuleerde emissie worden versterkt tot een substantieel vermogensniveau.

Om de PET-scan uit te voeren, wordt een kortlevende radioactieve tracerisotoop in de levende proefpersoon geïnjecteerd, meestal in de bloedsomloop. Elk traceratoom wordt chemisch opgenomen in een biologisch actief molecuul. Er is een wachttijd totdat het actieve molecuul voldoende is opgenomen in de te onderzoeken weefsels. Vervolgens wordt de proefpersoon in de PET scanner geplaatst.

De radio-isotoop vervalt door emissie van een positron (bètaverval). Het uitgezonden positron legt een korte afstand af in het weefsel. Meestal is dat minder dan 1 mm waarbij het kinetische energie verliest en met een elektron kan annihileren. Hierbij worden twee gammafotonen gevormd die in tegengestelde richtingen bewegen.

Deze fotonen worden gedetecteerd door scintillator-kristallen rond de proefpersoon in het scanapparaat. De scintillators zenden licht uit dat omgezet wordt in een elektrisch signaal. Tijdens een scan vervalt de tracer en wordt de concentratie van het actieve molecule in het onderzochte weefselconcentratie geregistreerd. Er wordt gebruik gemaakt van verschillende tracers naargelang het doelproces in het lichaam.

Mogelijke tracers zijn:

• Fluorodeoxyglucose ([¹⁸F] FDG of FDG) met een halfwaardetijd van het fluor-18 isotoop van 119 min. Dit wordt vaak gebruikt om kanker op te sporen.
•  Natriumfluoride (Na¹⁸F) wordt veel gebruikt om botvorming te detecteren.
• Zuurstof-15 (¹⁵O) met halfwaardetijd van 2 min wordt soms gebruikt om de bloedstroom te meten.

Radionucliden worden opgenomen in verbindingen met moleculen die in het lichaam worden gebruikt zoals glucose (of glucose-analogen), water of ammoniak. Of ook in moleculen die zich binden aan receptoren of andere werkingsmechanismen van geneesmiddelen.

Sinds 2020 is een suiker, FDG (fluorodeoxyglucose), verreweg de meest gebruikte radio-actieve tracer bij klinische PET-scans. De wachttijd tussen de toediening en de scan bedraagt doorgaans een uur. Deze radiotracer wordt gebruikt bij vrijwel alle scans voor oncologie en de meeste scans in de neurologie.

PET-scanbeelden kunnen worden gereconstrueerd met behulp van een CT-scan die met één gebruikelijke scanner tijdens dezelfde sessie wordt uitgevoerd.

Een van de nadelen van een PET-scanner zijn de hoge initiële kosten en de hoge operationele kosten. PET-scans zijn niet-invasief, maar ze brengen wel een blootstelling aan ioniserende straling met zich mee. Maar de hoeveelheid straling door één scan met FDG tracer is vergelijkbaar met de effectieve dosis van één jaar in een stad zoals Amsterdam (Nl).

Vanwege de korte halfwaardetijd van de meeste positron-emitterende radio-isotopen worden de radiotracers traditioneel geproduceerd met behulp van een cyclotron in de buurt van de PET-beeldvormingsfaciliteiten.

PET SCANNER – IFAE Voxel Imaging PET Pathfinder

Het concept van PET tomografie werd eind jaren vijftig geïntroduceerd door David E. Kuhl, Luke Chapman en Roy Edwards. David Kuhl werkte in de nucleaire geneeskunde met tomografische beeldtechnieken en ontdekte de PET techniek.

Het werk van Gordon Brownell, Charles Burnham en collega’s in het Massachusetts General Hospital droeg vanaf de jaren vijftig aanzienlijk bij aan de ontwikkeling van PET-technologie en omvatte de eerste demonstratie van annihilatiestraling voor medische beeldvorming. Hun innovaties zijn belangrijk geweest voor de implementatie van PET-beeldvorming.

In 1968 werd voor de eerste keer de Fluorodeoxyglucose ([¹⁸F] FDG als tracer door twee Tsjechische wetenschappers gesynthetiseerd. Met die tracer ontwikkelden James Robertson en zijn collega’s van het Brookhaven National Laboratory in 1961 de eerste single-vlakke PET-scan, bijgenaamd de ‘head-shrinker’.

Een factor die het meest verantwoordelijk was voor de acceptatie van positron-emissie -beeldvorming was de ontwikkeling van radiofarmaceutica zoals FDG. Het was  inderdaad het gebruik van FDG door de Brookhaven-groep onder leiding van Al Wolf en Joanna Fowler dat een belangrijke factor was in de uitbreiding van het gebruik van de  PET-beeldvorming.

De logische uitbreiding van positron-instrumentatie was een ontwerp met detectoren geplaatst op twee halve cirkels, tweedimensionale PC-I-genoemd. Het was het eerste instrument dat dit concept gebruikte. Het werd ontworpen en voltooid in 1969. Een volgende stap in de PET-instrumentatie was het plaatsen van die vele detectoren op een cirkelvormige ring. James Robertson en Zang-Hee Cho waren de eersten die een ring-systeem voorstelden dat ook het prototype is geworden van de PET-vorm.

De PET-CT-scanner, toegeschreven aan David Townsend en Ronald Nutt, werd in 2000 door Time uitgeroepen tot medische uitvinding van het jaar.

PET is zowel een medisch als een onderzoeksinstrument dat wordt gebruikt in preklinische en klinische situaties

PET wordt ook toegepast bij hart en vaatziekten om de doorbloeding van de hartspier vast te stellen; bij hersenziekten zoals de ziekte van Alzheimer, de ziekte van Parkinson en andere bewegingsstoornissen.

PET-beeldvorming wordt veel gebruikt bij het in beeld brengen van tumoren en het zoeken naar metastasen binnen de klinische oncologie en het in beeld brengen van spieren en botten. Het is een bruikbare techniek voor het bestuderen van skeletspieren tijdens inspanning.

PET wordt gewaardeerd als onderzoeksinstrument om de menselijke hersenen en hartfunctie te bestuderen en de kennis erover te vergroten en om de ontwikkeling van geneesmiddelen te ondersteunen. Ook in preklinische studies met dieren zet men PET in.

Hoe kan je informatie zo coderen of versleutelen dat niemand ze kan ontcijferen tenzij hij  over de ontsluitingscode beschikt?

Deze vraag houdt generaals, bankiers, diplomaten en – niet vergeten – geheime lovers al eeuwen bezig. Julius Caesar( 1^ste eeuw v.C.) schreef brieven naar zijn generaals waarbij elke letter vervangen werd door een letter die een vast aantal plaatsen verder in het alfabet lag.

Zo’n geheime boodschap kan maar best niet door tegenpartij ontcijferd worden. Natuurlijk gebeurde dat toch. Soms met verregaande gevolgen.

Een berucht historisch voorbeeld uit de 16^de eeuw is de geheime briefwisseling van Mary Stuart (Mary, Queen of Scots). De ontcijfering ervan speelde een sleutelrol in haar veroordeling en executie in 1587. Mary Stuart was koningin van Schotland en had ook een sterke claim op de Engelse troon. Ze werd door haar nicht, Elizabeth I van Engeland, in 1568 gevangen gezet uit vrees voor samenzwering en burgeroorlog.

Mary werd jarenlang streng bewaakt, maar via een geheime route (bierkurken in vaten!) wist ze versleutelde brieven te smokkelen naar de samenzweerders. De brieven werden ontdekt en ontcijferd. De ontcijferde briefwisseling werd gebruikt als bewijs voor hoogverraad. Mary werd berecht, schuldig bevonden en op 8 februari 1587 geëxecuteerd.

De Enigma-machine was een codeerapparaat dat door het Duitse leger werd gebruikt tijdens de Tweede Wereldoorlog. De basis ervan is dat elke letter, die je intikt, langs een veelheid van miljoenen mogelijke tussenwegen in een andere letter wordt omgezet. Een ingenieus systeem met o.a. roterende wielen zorgde ervoor dat een A intikken de ene keer bijvoorbeeld een Z opleverde, een andere keer bijvoorbeeld een G. Met deze machine konden operators berichten op zo’n manier coderen dat de ontvanger de specifieke instellingen moest kennen om het bericht te decoderen.

Als je die niet kende zou je miljoenen wegen moeten verkennen om het bericht te ontcijferen. Een onmogelijk lijkende opgave om dat, in de korte tijd dat de informatie relevant bleef, te doen.

In Bletchley Park, een landgoed in Zuid Engeland, werkte een ploeg van duizenden medewerkers vanaf 1939 aan de ontcijfering van de Enigma-code. Het werk in Bletchley Park werd geleid door Alan Turing. Er komt pas echt een doorbraak in het breken van de code als Tommy Flowers de eerste programmeerbare elektrische computer ontwikkelt. Deze machine krijgt de naam The Bombe. Een verbeterde versie hiervan is net op tijd klaar voor de geallieerde invasie in Normandië in juni 1944 en voorziet de commandant der geallieerde strijdkrachten Dwight Eisenhower van essentiële informatie over het Duitse strijdplan.

Het werk in Bletchley Park verkortte de oorlog met meerdere jaren en redde tal van mensenlevens.

Hoe Enigma werkt

De ontcijfering van Enigma onder de leiding van Alan Turing was de start van de moderne cryptografie. Er ontstond een nieuw onderzoeksgebied dat in 1949 een enorme impuls kreeg door het  boek van Claude Shannon dat de wiskundige basis van de cryptografie formuleerde.

Cryptografie steunt vandaag op moeilijke wiskundige problemen die eenvoudig zijn om in één richting te berekenen, maar extreem moeilijk om om te keren zonder een geheime sleutel.

Er wordt een onderscheid gemaakt tussen symmetrische en asymmetrische cryptografie

In symmetrische cryptografie is eréénzelfde sleutel voor versleutelen en ontsleutelen. Symmetrische cryptografie is heel snel en wordt daarom vooral gebruikt voor grote hoeveelheden data zoals voor een virtueel privé netwerk (VPN), en voor de beveiliging tussen een server en een website.

In asymmetrische cryptografie gebruikt men twee sleutels: een publieke en een private sleutel. Iedereen kan een bericht versleutelen maar alleen de eigenaar van de private sleutel kan het ontsleutelen. Het is echter trager dan symmetrische cryptografie en wordt meestal gebruikt voor uitwisseling van sleutels en voor digitale handtekeningen.

In de praktijk combineert men vaak beide: eerst gebruikt men asymmetrische cryptografie om veilig een symmetrische sleutel uit te wisselen. Daarna gebruikt men symmetrische cryptografie om de daadwerkelijke data te versleutelen, want dat is veel sneller.

De veiligheid moet alleen afhangen van de sleutel, niet van het geheimhouden van het algoritme. De kracht komt volledig van de moeilijkheidsgraad van het breken of ontcijferen van de sleutel.

Een bekend voorbeeld van asymmetrische cryptografie is het RSA algoritme. Het is genoemd naar de voornamen van de drie ontwikkelaars uit 1977 en is gebaseerd op het product van grote priemgetallen. Dat getal wordt het sleutelgetal genoemd.

Priemgetallen zijn natuurlijke getallen die groter zijn dan 1 en enkel deelbaar door zichzelf en door 1. Er zijn er oneindig veel van. (Stelling van Euclides).

Het vermenigvuldigen van priemgetallen is gemakkelijk, maar terugkeren van een sleutelgetal van honderden cijfers naar de oorspronkelijke priemgetallen is extreem moeilijk. Men kan wiskundig aantonen dat er bij benadering  10⁹⁹ priemgetallen met 100 decimale cijfers zijn.

Gewoon door proberen gaan de priemgetallen van het sleutelgetal dus zeker niet gevonden worden. Maar er zijn wel slimme wiskundige methoden ontdekt om het toch heel wat vlugger te laten gaan. Maar toch nooit vlug genoeg. Voor een kwaliteitsvolle recente laptop met een CPU van 16 rekeneenheden – die dus 16 rekentaken tegelijk kan uitvoeren- zou het factoriseren of in priemgetallen ontbinden van een sleutelgetal met 250 decimale cijfers ongeveer 150 jaar duren.

Dit betekent echter niet dat factoriseren in kortere tijd onmogelijk is. Het grootste RSA-getal dat tot nu toe succesvol is gefactoriseerd is RSA-250 . Een getal met 250 decimale cijfers.

Het werd gekraakt tussen december 2019 en februari 2020 door een internationaal team. De berekening werd verspreid uitgevoerd over tientallen duizenden machines wereldwijd, zowel clusters van computers als supercomputers.

Het daadwerkelijke getal was:

2140324650240744961264423072839333563008614715144755017797754920881418023447140136643345519095804679610992851872470914587687396261921557363047454770520805119056493106687691590019759405693457452230589325976697471681738069364894699871578494975937497937

dat gelijk is aan het product van de priemgetallen

64135289477071580278790190170577389084825014742943447208116859632024532344630238623598752668347708737661925585694639798853367

en

33372027594978156556226010605355114227940760344767554666784520987023841729210037080257448673296881877565718986258036932062711

Het kraken van RSA-sleutels is uiterst rekenintensief. Maar onmogelijk is het dus niet.

Tegenwoordig is RSA-250 niet meer veilig genoeg. Het werd immers gekraakt.

Men gebruikt daarom nu sleutelgetallen van 925 cijfers of 3072 bits of meer. Het sleutelgetal van RSA-250 heeft 832 bits nodig om digitaal voorgesteld te worden.

Een bit is de kleinste digitale eenheid die enkel de toestand 0 of 1 kan aannemen.

In binaire vorm wordt een getal van 250 voorgesteld in groepjes van acht bits of bytes (1 byte = 8 bits):

10010110 01101001 10100111 … (104 bytes lang)

Hoe werkt RSA?

Je kiest twee grote (>> 125 cijfers) priemgetallen. Je past op hun product – het sleutelgetal -wiskundige operaties toe om een publieke en een private sleutel te maken. Het sleutelgetal en de publieke sleutel zijn openbaar. Alleen de private sleutel is geheim. Per sleutelgetal is maar één set sleutels mogelijk. Maar je kan deze set niet uit het sleutelgetal of uit de publieke sleutel afleiden. Je hebt de gekozen priemgetallen of één van beide én het sleutelgetal zelf nodig.

RSA is een voorbeeldbeeld van asymmetrische cryptografie. De sleutel waarmee je het bericht versleuteld kan met deze sleutel niet terug ontcijferd worden. Daarvoor heb je een tweede sleutel nodig.

Een bekend voorbeeld van symmetrische cryptografie is de Advanced Encryption Standard (AES). AES werd ontwikkeld door twee Belgische burgerlijke ingenieurs Joan Daemen en Vincent Rijmen. Ze wonnen in 2000 de wereldwijde wedstrijd van het Amerikaans Nationaal Instituut voor Standaardisatie en Technologie om tot een veiliger versleutelingsstandaard te komen. Ze haalden het van grote spelers zoals IBM en RSA Security.

Hun algoritme werd gekozen vanwege de combinatie van veiligheid, prestatie, efficiëntie, eenvoud en flexibiliteit. Hun algoritme wordt ook wel het Rijmdael algoritme genoemd.

Het AES-encryptiealgoritme steunt op een ingewikkeld wiskundig concept. Het principe is als volgt.

AES neemt een blokje platte tekst en past afwisselende rondes van vervanging (substitutie) en herschikking (permutatie) toe in elke ronde. De grootte van de blokjes tekst is altijd 128 bits. De sleutellengte is 128, 192 of 256 bits en bepaalt het aantal ronden (10, 12 of 14 ) dat de data worden gewisseld. De standaardsterkte voor encryptie is 128, terwijl 256 gereserveerd is voor wanneer de sterkste beschermingsniveaus vereist zijn.

AES genereert at random een basissleutel van 128 bits (voor AES 128) en maakt daaruit via een vast, ingewikkeld maar volledig deterministisch proces alle tien sleutels voor de afzonderlijke encryptierondes. De ontvanger die dezelfde geheime basissleutel heeft, kan precies dezelfde sleuteluitbreiding uitvoeren en daardoor dezelfde 11 rondesleutels reconstrueren. Zonder deze ontcijferingssleutel zijn de gegevens volledig onleesbaar en totaal vervormd, wat betekent dat ze nutteloos zijn voor derden die het verkeer onderscheppen in de hoop op gegevens te stuiten die ze kunnen stelen.

Klassieke computers gebruiken algoritmen zoals AES en RSA en zijn veilig zolang de sleutel groot genoeg is.

Voor kwantumcomputers is de situatie helemaal anders. Zij kunnen gelijktijdig een zeer groot aantal berekeningen uitvoeren. Dat komt omdat de informatie-eenheden van kwantumcomputers geen  bits maar qubits zijn. Een bit kan in de situatie 0 of 1 zijn; een qubit is beide tegelijkertijd. Hij is in superpositie. Twee bits bijvoorbeeld zijn in één van de vier mogelijke toestanden 00, 01, 10, 11. Twee qubits zijn in de vier toestanden tegelijkertijd 0 en 1. Ze kunnen tegelijkertijd 2² = 4 berekeningen uitvoeren.

Voorspellingen over hoeveel qubits er nodig zijn om bijvoorbeeld RSA-2048 in enkele dagen of weken te breken lopen uiteen van enkele honderduizenden tot 1 miljoen fysieke qubits.

Dat aantal is zo groot omdat fysieke of ‘noisy qubits’ erg foutgevoelig zijn en je er daarom voor foutcorrectie heel wat meer nodig hebt dan het aantal logische qubits.

Kwantumcomputers kunnen RSA  breken met een algoritme dat door Peter Shor in 1994 werd ontwikkeld. Met een recente bijsturing van dit algoritme zouden 1 400 tot 1 700 logische qubits en 1 miljoen fysieke qubits voldoende zijn om RSA-2048 binnen de week te kraken.

De krachtigste kwantumprocessors van vandaag (zoals IBM’s Condor met 1.121 fysieke qubits) zitten nog ver onder deze grens. Dus hoewel het theoretisch mogelijk is, zijn we wellicht nog jaren verwijderd van een praktische kwantumdreiging voor RSA 2048. AES blijft veiliger, maar men moet grotere sleutels gebruiken dan nu het geval is.

Post-kwantumcryptografie (PQC) omvat versleutelingsmethoden die bestand zijn tegen aanvallen van krachtige kwantumcomputers. PQC steunt op wiskundige problemen die zelfs voor kwantumcomputers moeilijk op te lossen zijn.

De EU heeft een routekaart opgesteld om tegen eind 2026 te beginnen met de overgang naar PQC, en tegen 2030 moet de bescherming van kritieke infrastructuur volledig zijn overgeschakeld. Het Amerikaanse NIST (National Institute of Standards and Technology) heeft na jaren van evaluatie al enkele algoritmen geselecteerd voor standaardisatie.

Daar waar postkwantumcryptografie gebruik maakt van zeer geavanceerde wiskunde om ook tegen kwantumcomputers veilig te blijven, maakt kwantumcryptografie gebruik van de wetten van de kwantummechanica zelf om communicatie te beveiligen.

Het bekendste voorbeeld van kwantumcryptografie is kwantumsleuteldistributie (QKD).

Eén van de principes ervan is dat een kwantumsysteem niet kan gekopieerd worden. Kopiëren vereist observatie die de toestand van het systeem onherstelbaar verandert (Cf. Collaps van de golffunctie). Als iemand toch probeert mee te luisteren, veranderen de fotonen, en dat valt op bij de verzenders van het bericht.

Hoewel ze zich nog in een vroeg stadium bevindt, heeft kwantumcryptografie het potentieel om een revolutie teweeg te brengen in cryptografie en de groeiende dreiging van kwantumcomputing aan te pakken.

In een notendop werkt QKD als volgt:

• De ontvanger kan de boodschap nog lezen.
• Alice en Bob genereren  een geheime sleutel via het kwantumkanaal.
• De boodschap zelf wordt daarna klassiek gecodeerd (bijv. met AES) met die sleutel.
• Als Eve probeert af te luisteren maakt ze de sleutel fout, maar de echte boodschap blijft veilig zolang Alice en Bob de afluisterpoging hebben ontdekt en de sleutel controleren.
• De ontvanger kan de boodschap nog lezen.