Fremtiden lys for mini -synkrotroner

At kollidere en strøm af elektroner med laserlys nær en række små sølvstrukturer kan være opskriften på en ny røntgenkilde, der kan revolutionere medicinsk billeddannelse og sikkerhedsscanning.

Liang Jie Wong fra A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech) og samarbejdspartnere fra MIT, Technion og University of Mons har udviklet en enkel og kompakt metode til at generere røntgenstråler ved at kollidere frie elektroner med overfladebølger på et materiale oplyst af en laserpuls1.

"Baseret på vores teoretiske forudsigelser, vores eksperiment i laboratorieskala vil kunne generere en røntgenlysstyrke, der kan sammenlignes med den, der bruges til medicinsk billeddannelse, "Sagde Wong.

"Med nogle justeringer, vi er optimistiske, vi kan nå synkrotronlysstyrken. Det er vi meget begejstrede for. "

Synkrotroner er røntgenkilder, hvis stråling er lys nok til at muliggøre detaljeret undersøgelse af bittesmå strukturer som proteiner eller komplekse krystaller. Imidlertid, de er store installationer; typisk snesevis af målere, der kræver, at hele bygninger huser dem.

Wong og hans team forestiller sig et bordapparat til deres røntgengeneratorer, som er afhængige af interaktionen mellem en laser ved bølgelængder mellem infrarød og ultraviolet, og elektronenergier omkring fem mega-elektron volt, et regime, der kan opnås ved hjælp af nuværende state-of-the-art elektronkanoner.

Arenaen for interaktionen mellem laseren og elektronerne er en række mikroskopiske sølvstrukturer på et glasglas. Laseren er rettet mod overfladen i en vinkel, skaber overfladebølger kaldet plasmon polaritons. Elektronerne skydes derefter parallelt med overfladen ind i overfladebølgerne, som interagerer med de frie elektroner, får deres baner til at bølge, som genererer røntgenstråler.

Opkonverteringen til røntgenenergier er et resultat af egenskaberne ved plasmon polaritoner, hybridpartikler dannet ved at koble elektroner og fotoner. Disse hybridpartikler er stærkt begrænset til overfladen, som koncentrerer intensiteten. Da den rumlige dimension er stærkt reduceret, polaritons momentum øges kraftigt ved en given energi, resulterer i konvertering fra få-eV plasmon polaritoner til keV røntgenstråler, ved hjælp af MeV elektronenergier.

"Det er en elektrodynamisk proces, som ingen havde forudsagt, "Sagde Wong.

Teamet undersøgte en række konfigurationer for metamaterialet, med grupper af strukturer i størrelse og afstand fra 5 nanometer til 26 nanometer og med jævne mellemrum omkring 90 nanometer fra hinanden.

Resultaterne viste, at det var muligt at kontrollere de rumlige og tidsmæssige egenskaber ved røntgenstrålerne ved at ændre parametre, såsom metasurfets geometri, eller formen af ​​elektronbølgepakkerne. Muligheden for at styre strålefunktionerne er en kæmpe fordel, fordi røntgenstråler er udfordrende at fokusere og styre:de har en tendens til at passere gennem de fleste materialer uden at interagere.

Som et eksempel, Wong påpeger, at med den rigtige konfiguration, meget retningsbestemte røntgenstråler, der er i trin (sammenhængende) kan genereres. "For sammenhængende output, du skal sørge for, at din elektronbølgepakke er korrekt formet, "Siger Wong.

Generering af sammenhængende røntgenstråler giver processen en stor fordel i forhold til konventionel medicinsk billeddannelse, fordi den tillader fasekontrastbilleddannelse, en teknik, der kan give højere kontrast end de absorptionsprocesser, der danner konventionelle røntgenbilleder.

Teamet udviklede software til at foretage ab initio -beregninger ved hjælp af klassisk elektromagnetisk teori, og derefter krydstjekket dem med en anden tilgang baseret på kvanteelektrodynamik. De fandt en god overensstemmelse mellem de to tilgange, hvilket har givet dem tillid til at tage det næste skridt.

Wong og hans kolleger planlægger nu at udføre bevis på principforsøg med den nye røntgenkilde.

"Hvis vi formår at skalere op, virkningen vil være ret revolutionerende. I stedet for bare at have et par synkrotroner at bruge, du kan placere en røntgenkilde med høj lysstyrke i hvert laboratorium og på ethvert hospital, " han siger.