_ Echipa se dezvoltă o nouă modalitate de a genera raze X puternice și concentrate folosind modelarea undelor de electroni

Oamenii de știință conduși de Universitatea Tehnologică Nanyang din Singapore (NTU Singapore) au dezvoltat și simulat o nouă modalitate eficientă din punct de vedere energetic de a genera X extrem de focalizat și controlat fin -razele care sunt de până la o mie de ori mai intense decât cele de la metodele tradiţionale. Descoperirile sunt publicate în revista Light: Science & Applications.

Acest lucru deschide calea pentru imagistica cu raze X de foarte înaltă calitate, care utilizează raze X puternice pentru a detecta cu precizie defectele cipurilor semiconductoare. Noua metodă ar putea permite, de asemenea, să se realizeze imagini cu raze X mai concentrate pentru screening-ul sănătății, folosind mai puțină energie.

Noua metodă se bazează pe simulări pe computer care împușcă electroni într-un material ultra-subțire cu un grad ridicat de ordonare. structuri, cum ar fi grafenul. Mecanismul de bază este similar cu modul în care razele X sunt produse în mod convențional folosind tuburi de raze X. Dar există o întorsătură: în simulări, modelele sub formă de undă ale modului în care se deplasează electronii sunt „formate” într-un mod foarte specific, astfel încât calea de deplasare a particulelor se potrivește și se suprapune cu pozițiile foarte structurate ale atomilor materialului.

Acest lucru are ca rezultat, teoretic, raze X care sunt emise la intensități mult mai mari decât cele normale și care pot fi controlate fin, astfel încât să fie generate fie în mai multe direcții diferite, fie într-o singură direcție generală.

De obicei, atunci când electronii aprinși se ciocnesc cu atomii materialului, electronii devin deviați și emit raze X, în ceea ce se numește bremsstrahlung sau „radiație de frânare”.

Bremsstrahlung contribuie la majoritatea razele X emise în metodele convenționale de generare a radiației folosind tuburi de raze X. Dar o problemă este că razele X nu sunt focalizate, deoarece sunt emise în direcții diferite. Metodele actuale încearcă să rezolve acest lucru prin filtrarea razelor X, astfel încât să fie folosite numai cele emise în direcția dorită. Cu toate acestea, chiar și aceste raze X filtrate sunt încă destul de difuze.

O echipă internațională de oameni de știință de la Universitatea de Tehnologie și Design din Singapore, Universitatea Stanford, Institutul de Tehnologie Technion–Israel, Universitatea Tel Aviv și Universitatea din California, Los Angeles, condus de profesorul asistent Nanyang Wong Liang Jie de la Școala de Inginerie Electrică și Electronică a NTU, a dezvoltat o modalitate de a depăși aceste provocări în simulările pe computer, prin schimbarea modului în care se deplasează electronii ardeți.

Folosind computere, oamenii de știință au modelat electronii care trec printr-o placă special făcută, care are și un curent care curge prin ea pentru a genera o tensiune. Oamenii de știință au reușit să arate prin simulări că modul în care au călătorit electronii s-a schimbat după trecerea printr-o astfel de „placă de fază”, un efect numit modelarea undelor de electroni.

Acest lucru se întâmplă deoarece particulele de electroni sunt capabile să călătorească într-o undă. model ca undele luminoase, conform fizicii cuantice. Drept urmare, cercetările anterioare au arătat că acestea pot interfera unele cu altele după ce trec printr-o placă de fază. Tensiunea plăcii provoacă, de asemenea, schimbări în modelul mișcării sub formă de undă a electronilor, iar ajustarea tensiunii poate modifica și modelul undelor electronului.

Electronii formați au fost apoi simulați pentru a lovi un material ultra-subțire. realizat din grafen de aproximativ 1.000 de ori mai subțire decât o șuviță de păr.

Datorită modului în care acești electroni au fost formați, calea de deplasare a electronilor a avut o tendință foarte mare de a se potrivi cu pozițiile hexagonale ale atomilor din grafen.

Acest lucru a crescut probabilitatea ca electronii să se ciocnească cu atomii, iar simulările au arătat că, ca urmare, vor fi emise mai multe raze X, crescând astfel intensitatea radiației produse.

Simulările au arătat că noua metodă a fost și mai eficientă din punct de vedere energetic. Folosind aceeași cantitate de curent pentru a declanșa electroni, razele X produse prin metoda cercetătorilor au fost de până la o mie de ori mai puternice decât cele produse prin metode convenționale folosind tuburi de raze X. Intensitatea radiației ar putea fi, de asemenea, ajustată prin modificarea plăcii de fază.

În funcție de scopul pentru care sunt utilizate razele X, acestea ar putea fi emise în direcții diferite sau focalizate într-o direcție generală cu nouă metodă, permițând viitoarelor dispozitive generatoare de raze X să fie mai reglabile decât înainte. Acest control fin a fost realizat în simulări prin ajustarea tensiunii plăcii pentru a schimba modelul și calea modului în care au călătorit electronii.

Când modelul undelor electronilor tindea să se suprapună cu suprafața atomilor întregi, Razele X produse au fost mai difuze. Modificarea tensiunii plăcii pentru a face ca modelul de undă al electronilor să coincidă cu straturile în formă de inel din jurul atomilor a generat raze X într-o direcție generală.

Razele X focalizate au fost probabil produse din cauza felului în care electronii care interacționau cu atomii au fost modificați, ceea ce a dus la interferența razelor X care au distrus razele X emise în unele direcții, în timp ce le-au consolidat pe altele într-o direcție.

Deoarece noua metodă necesită mai puțină energie pentru a produce X intens. -razele, ar putea deschide calea pentru fabricarea de dispozitive mai mici generatoare de raze X, deoarece este nevoie de o sursă de energie mai puțin puternică - posibil micșorarea mașinilor standard care ar putea fi mai mari decât o casă la una care ar putea încăpea pe o masă.

Deși există instrumente comerciale existente care pot face modelarea undelor de electroni, utilizarea acestora pentru a produce raze X de mare intensitate și reglabile este inedită, deoarece cercetătorii au încercat în trecut să folosească modelarea undelor de electroni pentru a schimba alte tipuri de radiații.

Aceste încercări anterioare i-au inspirat pe oamenii de știință conduși de Asst. Prof. Wong va încerca razele X de modelare a undelor în modelele computerizate pentru a determina cum s-au schimbat rezultatele atunci când diferiți parametri au fost ajustați. Unul dintre aceste experimente simulate a constatat că schimbarea tiparului modului în care au călătorit electronii ar putea crește luminozitatea razelor X produse și aceasta a stat la baza celor mai recente cercetări.

Potențialele aplicații ale razelor X puternice produse. prin metoda oamenilor de știință includ utilizarea lor pentru a produce imagini cu raze X de foarte înaltă rezoluție ale cipurilor semiconductoare pentru a detecta cu mai multă acuratețe orice defecte greu de observat în cipurile fabricate.

Deoarece razele X produse ar putea Fiind controlată să fie fie difuză, fie focalizată, noua metodă ar putea oferi mai multă flexibilitate în efectuarea imagistică cu raze X pentru screening-ul sănătății, cum ar fi imagistica unei mâini întregi sau doar a unei articulații a degetului, folosind în același timp mai puțină energie pentru a produce radiația. Raze X concentrate și intense ar putea avea, de asemenea, utilizări în radioterapie mai țintită pentru tratarea cancerului.

Oamenii de știință intenționează acum să efectueze experimente pentru a confirma rezultatele simulărilor lor.

Asst. . Prof. Wong a spus: „Precizia modelării undelor de electroni este crucială pentru razele X generate. Credem că, odată cu progresul rapid al tehnicilor de modelare a undelor de electroni, mecanismul nostru propus poate fi implementat pe deplin pentru raze X intense și extrem de reglabile de masă. tehnologie."

(Fluierul)