Neutronenbundel laat zien waar eeuwenoud Indonesisch beeldje uit bestaat

Telkens als fysicus Yueer Li haar metingen wil doen, moet ze eerst via een grote gele luchtsluis de kernreactor van het Reactor Institute Delft (RID) betreden. Daar, achter de metalen deuren van een grijze kast, stond afgelopen juni een klein Indonesisch bronzen beeldje uit de negende eeuw na Christus – Kuvera geheten – op haar te wachten.

Li achterhaalde de interne structuur van de Kuvera door het beeldje op een voetstuk naast de kast te scannen met neutronen uit de kernreactor. Dat proces maakte het beeldje kortstondig radioactief. Daarom liet Li het beeldje ‘afkoelen’ bij een gammaspectrometer iets verderop, een stap die op andere onderzoekers voornamelijk als onhandige wachtperiode overkomt. Maar voor Li was het hier juist om te doen.

Gratis gammastraling

Het scannen van historische metalen voorwerpen met neutronen is voor het RID niets nieuws. Li doet haar onderzoek onder begeleiding van neutronenspecialist dr. Lambert van Eijck van de faculteit Technische Natuurwetenschappen. Eerder lichtte zijn groep al een Van Leeuwenhoekmicroscoop door met neutronen, als ook een 3500 jaar oud ceremonieel zwaard. Omdat metalen objecten een deel van de neutronen absorberen, is – door het object uit allerlei verschillende hoeken te scannen – zo een plaatje van de binnenkant te maken.

“De gammastraling die hierbij ontstaat krijg je er gratis bij”, legt Li uit. “Tot nu toe werd deze straling nooit meegenomen in metingen. Wij laten zien dat gammastraling kan vertellen uit welke materialen museumstukken bestaan, zonder dat ze beschadigd hoeven te worden.” Het onderzoek verscheen eind vorig jaar als publicatie in Nature.

Verborgen folie

Het onderzoek aan de Kuvera gebeurde in samenwerking met Rijksmuseum Amsterdam. Sara Creange, restaurator bij Rijksmuseum, benaderde Van Eijck over een klein stukje folie dat uit de bodem van het voetstuk van het vuistgrote beeldje stak. “Vroeger verstopten mensen vaak iets in dit soort beeldjes. Volgens de legende bracht dit de godheid in het beeldje om in een tempel te kunnen vereren”, legt Van Eijck uit. “Met onze techniek hebben we gekeken wat er in het voetstuk van de Kuvera zat.”

Wat bleek: in het voetstuk van de Kuvera zat inderdaad een folie

Hoewel het werk al in 2019 van start ging, pakte Li het project weer op in 2022. Dat kwam doordat de reactor voor renovaties moest sluiten. Wat bleek: in het voetstuk van de Kuvera zat inderdaad een folie, zichtbaar gemaakt door de neutronenscan. Samen met Van Eijck besloot Li gammaspectroscopie in te zetten, een techniek die de gammastraling analyseert. Aangezien elk element na absorptie van neutronen zijn eigen karakteristieke gammagolflengte uitstraalt, viel zo te bepalen uit welke materialen het beeldje en de folie bestonden.

“Uit de eerste analyses leek de folie voornamelijk uit goud te bestaan, aangezien dit element een grote piek in het gemeten signaal gaf”, vertelt Li. “Maar na simulaties bleek dat de folie voornamelijk uit zilver bestond, waar een beetje goud in verwerkt zat.” Deze simulaties vormden voor Van Eijck een sleutelrol van het werk: “Veel van de kennis in kunstonderzoek gaat over wat er te zien is aan het oppervlak. Maar dankzij dit soort simulaties is de innerlijke compositie van een object op de dag dat het gemaakt zeer nauwkeurig te bepalen uit gammastraling.”

Simulaties

Voor haar simulatiewerk ‘bouwde’ Li met behulp van de neutronenscans het beeldje na op de computer. Ze gaf het beeldje verschillende composities en massa’s, en berekende hieruit welke signalen vervolgens met gammaspectroscopie te meten zouden moeten zijn. Li: “Door dit voorspelde signaal te vergelijken met de daadwerkelijk gemeten signalen en het gesimuleerde beeldje aan te passen tot de simulaties overeenkwamen met de experimenten, konden we bepalen welke materialen in het beeldje zaten.”

Verbaasd hoe goed Li’s kalibratiemetingen overeenkwamen met de voorspellingen

Om het gesimuleerde signaal te voorspellen maakte Li gebruik van Geant4, speciale software ontwikkeld door het deeltjeslaboratorium CERN in Zwitserland. Geant4 bevat een gegevensbank met elementen en hun bijbehorende gammastraling.

Toen Li haar simulaties ijkte met metingen aan een stukje koper in de neutronenbundel, was Van Eijck verbaasd hoe goed haar kalibratiemetingen overeenkwamen met de voorspellingen van Geant4. “Alle voorspelde elementaire deeltjesinteracties klopten gewoon”, vertelt Van Eijck. “Er bleek helemaal geen ingewikkelde kallibratie nodig te zijn. Dit proberen we nu uit te leggen aan onze collega’s, zodat ook zij vaker gammaspectroscopie gaan gebruiken.”

Risico’s

Voor het beeldje naar de reactor toe mocht, onderzocht Creange de vochtigheid en temperatuur in het RID en de effecten van de neutronenbundel. “We hebben een lange geschiedenis bij het Rijksmuseum dat we onze objecten samen met wetenschappers bestuderen”, zegt ze. “De risico’s die komen kijken bij het vervoeren van het object zijn acceptabel als je weet wat je ervoor terug kan krijgen.”

Creange is dan ook zeer enthousiast over de behaalde resultaten: “Zelf hebben we een X-ray machine in het Rijksmuseum, maar daarmee is niet diep het materiaal in te kijken. Ik ben heel blij dat het met de neutronen en gammastraling wel gelukt is om een verdeling van de elementen binnen in het beeldje te zien.”

Travel trough stack of slices of neutron tomography of Indonesian figurine. (Data & processing: Yueer Li, RID)