Team udvikler en ny måde at generere kraftfulde og fokuserede røntgenstråler ved hjælp af elektronbølgeformning
Forskere ledet af Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har udviklet og simuleret en ny energieffektiv måde at generere højt fokuserede og fint kontrollerede røntgenstråler, der er op til tusind gange mere intense end dem fra traditionelle metoder. Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Light:Science &Applications .
Dette baner vejen for røntgenbilleder af ultrahøj kvalitet, der bruger kraftige røntgenstråler til nøjagtigt at detektere fejl i halvlederchips. Den nye metode kunne også gøre det muligt at foretage mere fokuseret røntgenbilleder til sundhedsscreening, mens der bruges mindre energi.
Den nye metode er baseret på computersimuleringer, der skyder elektroner mod et ultratyndt materiale med højt ordnede strukturer, såsom grafen. Den grundlæggende mekanisme ligner, hvordan røntgenstråler konventionelt fremstilles ved hjælp af røntgenrør. Men der er et twist:I simuleringerne er de bølgelignende mønstre af, hvordan elektronerne bevæger sig, "formet" på en meget specifik måde, så partiklernes vandringsvej matcher og overlapper med de højt strukturerede positioner af materialets atomer.
Dette resulterer teoretisk i røntgenstråler, der udsendes med meget højere intensiteter end normalt, og som kan fint kontrolleres, så de genereres i enten mange forskellige retninger eller i en enkelt generel retning.
Normalt, når de affyrede elektroner kolliderer med materialets atomer, bliver elektronerne afbøjet og udsender røntgenstråler, i det der kaldes bremsstrahlung eller "bremsestråling."
Bremsstrahlung bidrager til de fleste af de udsendte røntgenstråler i konventionelle metoder til at generere strålingen ved hjælp af røntgenrør. Men et problem er, at røntgenstrålerne ikke er fokuserede, da de udsendes i forskellige retninger. Nuværende metoder forsøger at løse dette ved at filtrere røntgenstrålerne, så kun dem, der udsendes i den ønskede retning, bruges. Men selv disse filtrerede røntgenstråler er stadig ret spredte.
Et internationalt hold af forskere fra Singapore University of Technology and Design, Stanford University, Technion–Israel Institute of Technology, Tel Aviv University og University of California, Los Angeles, ledet af Nanyang Assistant Professor Wong Liang Jie fra NTU's School of Electrical and Electronic Engineering, udviklede en måde at overvinde disse udfordringer i computersimuleringer ved at ændre den måde, hvorpå de affyrede elektroner bevæger sig.
Ved hjælp af computere modellerede forskerne elektroner, der passerede gennem en specialfremstillet plade, der også har en strøm, der løber gennem sig for at generere en spænding. Forskerne var i stand til at vise i simuleringer, at den måde, elektronerne bevægede sig på, ændrede sig efter at have passeret gennem en sådan "faseplade", en effekt kaldet elektronbølgeformning.
Dette sker, fordi elektronpartikler er i stand til at rejse i et bølgemønster som lysbølger, ifølge kvantefysikken. Som et resultat har tidligere forskning vist, at de kan interferere med hinanden efter at have passeret gennem en faseplade. Pladens spænding forårsager også skift i mønsteret af elektronernes bølgelignende bevægelse, og justering af spændingen kan også justere elektronens bølgemønster.
De formede elektroner blev derefter simuleret til at ramme et ultratyndt materiale lavet af grafen, der er omkring 1.000 gange tyndere end en hårstrå.
På grund af hvordan disse elektroner blev formet, havde elektronernes bevægelsesvej en meget høj tendens til at matche atomernes sekskantede positioner i grafen.
Dette øgede sandsynligheden for, at elektronerne ville kollidere med atomerne, og simuleringerne viste, at der ville blive udsendt flere røntgenstråler som et resultat, og derved øge intensiteten af den producerede stråling.
Simuleringerne viste, at den nye metode også var mere energieffektiv. Ved at bruge den samme mængde strøm til at affyre elektroner, var røntgenstrålerne produceret ved forskernes metode op til tusind gange kraftigere end dem, der blev produceret ved konventionelle metoder ved hjælp af røntgenrør. Intensiteten af strålingen kunne også justeres ved at lave ændringer på fasepladen.
Afhængigt af hvad røntgenstrålerne bruges til, kan de udsendes i forskellige retninger eller fokuseres i én generel retning med den nye metode, hvilket gør det muligt for fremtidige røntgengenererende enheder at være mere justerbare end før. Denne fine kontrol blev opnået i simuleringer ved at justere pladens spænding for at ændre mønsteret og vejen for, hvordan elektronerne bevægede sig.
Når elektronernes bølgemønster havde en tendens til at overlappe med overfladen af hele atomer, var de producerede røntgenstråler mere diffuse. Justering af pladens spænding for at få elektronernes bølgemønster til i stedet at falde sammen med ringformede lag omkring atomerne genererede røntgenstråler i én generel retning.
De fokuserede røntgenstråler blev sandsynligvis produceret, fordi den måde, hvorpå elektronerne interagerer med atomer, blev ændret, hvilket resulterede i interferens fra røntgenstrålerne, der ødelagde røntgenstråler udsendt i nogle retninger, mens de forstærkede andre i én retning.
Da den nye metode kræver mindre energi for at producere intense røntgenstråler, kan den åbne vejen for, at mindre røntgengenererende enheder kan fremstilles, da der er behov for en mindre kraftfuld energikilde - muligvis krympende standardmaskiner, der kan være større end et hus for at en der kunne passe på et bord.
Selvom der findes eksisterende kommercielle instrumenter, der kan udføre elektronbølgeformning, er det nyt at bruge dem til at producere højintensitets- og justerbare røntgenstråler, da forskere tidligere forsøgte at bruge elektronbølgeformning til at ændre andre typer stråling.
Disse tidligere forsøg inspirerede forskerne ledet af Asst. Prof. Wong for at prøve bølgeformende røntgenstråler i computermodeller for at bestemme, hvordan resultaterne ændrede sig, når forskellige parametre blev justeret. Et af disse simulerede eksperimenter fandt ud af, at ændring af mønsteret for, hvordan elektroner bevægede sig, kunne øge lysstyrken af de producerede røntgenstråler, og dette dannede grundlaget for den seneste forskning.
Potentielle anvendelser af de kraftige røntgenstråler produceret af forskernes metode omfatter at bruge dem til at producere meget højopløselige røntgenbilleder af halvlederchips for mere præcist at detektere eventuelle svære at se fejl i fremstillede chips.
Da de producerede røntgenstråler kunne kontrolleres til enten at være diffuse eller fokuserede, kan den nye metode give mere fleksibilitet til at udføre røntgenbilleder til sundhedsscreening, såsom billeddannelse af en hel hånd eller blot et fingerled, mens der bruges mindre energi til producere strålingen. Fokuserede og intense røntgenstråler kan også have anvendelse i mere målrettet strålebehandling til behandling af kræft.
Forskerne planlægger nu at udføre eksperimenter for at bekræfte resultaterne af deres simuleringer.
Asst. Prof. Wong sagde:"Nøjagtigheden af elektronbølgeformning er afgørende for de genererede røntgenstråler. Vi tror med den hurtige udvikling af elektronbølgeformningsteknikker, at vores foreslåede mekanisme kan implementeres fuldt ud til intens og meget afstembar bordplade røntgenstråler. teknologi."
Flere oplysninger: Lee Wei Wesley Wong et al., Frielektronkrystaller til forbedret røntgenstråling, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01363-4
Journaloplysninger: Lys:Videnskab og applikationer
Leveret af Chinese Academy of Sciences
Varme artikler
-
Nyt instrument udvider LIGOs rækkeviddeForskere installerer en ny kvanteklemme i en af LIGOs gravitationsbølgedetektorer. Kredit:Lisa Barsotti For bare et år siden, National Science Foundation-finansieret laserinterferometer gravitat -
Boblernes fysik kan forklare sprogmønstreKredit:University of Portsmouth Sprogmønstre kunne forudsiges ved simple fysiske love, en ny undersøgelse har fundet. Dr. James Burridge fra University of Portsmouth har offentliggjort en teori v -
Vær skånsom over for mekaniske kvantesystemerOptisk mikroskopbillede af den akustiske resonator set fra oven (to større skiver, hvor den indre er den piezoelektriske transducer) og af antennen forbundet til den superledende qubit (hvid struktur) -
Løsninger på vandudfordringer findes i grænsefladenSeth Darlings forskning ved Argonne National Laboratory blander kemi, fysik, materialevidenskab og teknik for at løse den centrale globale udfordring med tilgængeligt rent vand. Kredit:Institute for M