In enkele maanden moeten de VN-wapeninspecteurs heel Irak uitkammen naar massavernietigingswapens. Oorlog staat op het spel. De wapeninspecteurs beschikken voor hun inspecties over ultramoderne apparatuur. Maar waar zoeken ze eigenlijk naar? En hoe kan de apparatuur zo snel en ter plaatse al uitsluitsel geven over het voorkomen van verdacht materiaal?

De wapeninspecteurs moeten binnen een termijn van drie maanden meer dan 400 locaties onderzoeken, op zoek naar sporen van nucleaire, biologische en chemische wapens. Vergeleken met de vorige, eind 1998 afgebroken inspecties is de ‘zoekslagkracht’ van de inspecteurs fors toegenomen. De grootste bijdrage hieraan komt van nieuwe technologie in vooral draagbare, snelle detectors en analysemethoden.

Tot de uitrusting behoren de volgende ultramoderne draagbare meetinstrumenten:

• Alex, een legeringdetector voor ­materialen met nucleaire toepas­singen.

• Hanaa, een snelle detector voor sporen van anthrax (miltvuur) of builenpest, die kunnen worden toegepast in biologische wapens.

• Ranger, een detector voor gamma- en neutronenstraling, afkomstig van radioactieve materialen.

Geen van de drie apparaten waren bij de vorige inspecties beschikbaar. Ook hebben de inspecteurs nu de beschikking over vandalismebestendige digitale camera’s, een verbeterde radar (detectievermogen tot 30 m onder de grond) en kunnen zij gebruik maken van beelden van spionagesatellieten.

De grootste technologische winst is wellicht bereikt met de Alex. Alex is een draagbaar meetinstrument en werkt op batterijen. Het wordt gebruikt voor schroothopen om de samenstelling van metalen te detecteren. In Irak wordt Alex ook gebruikt om na te gaan of schroot, apparatuur of voertuigen in contact zijn geweest met radioactief materiaal. Alex detecteert en analyseert met behulp van röntgenfluorescentie.

Nucleaire activiteit maakt noodgedwongen gebruik van exotische staalsoorten en ongebruikelijke metalen zoals zirkonium. Bij uraniumverrijking bijvoorbeeld speelt het zwaar corrosieve uraanhexafluoride (UF₆) een rol. De legeringen die om die reden worden toegepast in uraniumverrijkingapparatuur zijn relatief gemakkelijk op te sporen.

Software

Draagbare röntgenfluore­scentiemeters op batterijen zijn er al jaren. Ze maken gebruik van een radioactief element voor de benodigde röntgenstraling, bijvoorbeeld Fe-55, Cd-109 en/of Am-241. De energie van de röntgenstraling van het element is zo hoog mogelijk om een zo breed mogelijk scala aan elementen te kunnen detecteren. Hiermee kunnen vrijwel alle elementen vanaf zwavel (S, atoomnr. 16) worden gedetecteerd.

Het nadeel van een radioactief element is de wettelijke regelgeving die allerlei beperkingen oplegt, bijvoorbeeld op het gebied van lekkage en de grootte van het element. Het gevolg is nogal hoge detectiegrenzen en/of lange meettijden van de apparatuur. Een conventionele röntgenlamp kent deze nadelen niet maar vereiste tot recent veel stroom en derhalve veel zware batterijen.

Ook de software in draagbare apparaten voor het verwerken van de gedetecteerde röntgenspectra naar samenstelling van het onderzochte materiaal kent voor deze inspecties een nadeel. Voor de verwerking is een standaardmonster nodig met een vrijwel gelijke samenstelling als het te onderzoeken materiaal óf een gedetailleerde kennis van de samenstelling van het te onderzoeken materiaal. Voor de inspecties in Irak is geen van beide voorhanden.

Bij Alex zijn deze nadelen weggenomen. Alex maakt met batterijvoeding gebruik van een nieuw-technologische röntgenlamp. Maar de grootste verbetering zit in de software, die is ontwikkeld in 1997. Alex past een interne elektronische bibliotheek toe van röntgenspectra van slechts 72 legeringen en geeft daarmee de samenstelling van onbekend materiaal met een onnauwkeurigheid van enkele procenten. De ontwikkelde software werkt kort gezegd in vier stappen:

1. Omzetting van het gemeten spectrum van het te onderzoeken materiaal naar piekintensiteiten van de mogelijk aanwezige zuivere ­elementen.

2. Selectie van de best passende legeringstandaard uit de interne biblio­theek voor de verdere dataverwerking.

3. Berekening van relatiecoëfficiënten tussen de samenstelling en piekintensiteiten van de bibliotheekstandaard en die van het onbekende materiaal.

4. Omzetting van de piekintensiteiten van het onbekende materiaal naar zijn elementsamenstelling.

De grootste moeilijkheid bij de verwerking van röntgenspectra naar elementsamenstelling is de matrix, de samenstelling van het onbekende materiaal zelf. Metalen kunnen uitgezonden fotonen van andere metalen wegvangen, waardoor een deel van de spectruminformatie verdwijnt. Ook kunnen juist versterkingseffecten optreden waardoor piekintensiteiten van een bepaald metaal onterecht worden verhoogd. Beide effecten bemoeilijken de interpretatie van de gemeten spectra. In de software wordt met beide effecten zo goed mogelijk rekening gehouden. De inspecteurs zijn stuk voor stuk experts op hun vakgebied en hebben een gedegen training gehad in de omgang met de detectieapparatuur. Het blijft echter zoeken naar de speld in een hooiberg. Alleen wordt het identificeren van de gevonden speld met de beschikbare apparatuur een stuk vergemakkelijkt.

***Kader***

Alex, de ultramoderne draagbare röntgenfluorescentiespectrometer is ontwikkeld door de Naval Research Laboratory, in samenwerking met Quantrad Sensor, Inc., USA. Alex meet 20 x 20 x 50 cm en weegt 8 kg. Alex kent een drukknopbediening en meet binnen enkele seconden de samenstelling van onbekend (schroot)metaal.

***Kader***

Wat is röntgenfluorescentie ook alweer?

Een elektron in een atoom kan uit zijn baan (orbital) worden geschoten door botsing met een foton. De energie van het foton moet ten minste de bindingsenergie van het elektron in het atoom bedragen. Als een elektron uit één van de binnenste orbitals wordt weggeschoten, dan kan een elektron uit een hogere orbital naar de lege orbital terugvallen. Hierbij komt energie vrij in de vorm van een foton. Omdat het energieverschil tussen twee orbitalen voor een gegeven element constant is, zal het uitgezonden foton bij deze orbital-overgang altijd dezelfde energie hebben. Dit fluorescentielicht is de karakteristieke röntgenstraling voor een element. Dit betekent dat bij bepaling van de energieën (golflengten) van de uitgezonden fotonen het betreffende element kan worden geïdentificeerd. Het aantal uitgezonden fotonen, de piekintensiteit, is afhankelijk van de hoeveelheid van dat element. De detectie vindt plaats door het tellen van de fotonen. Een röntgenspectrometer stuurt röntgenstraling naar een materiaal en detecteert het aantal terug ontvangen fotonen en hun energieën. Daarmee vormt hij een röntgenspectrum. Uit de energie van de pieken (de plaats in het spectrum) en de piekhoogte kan de samenstelling van een materiaal kwalitatief en kwantitatief worden vastgesteld.