Att kollidera en ström av elektroner med laserljus nära en rad små silverstrukturer kan vara receptet för en ny röntgenkälla som kan revolutionera medicinsk bildbehandling och säkerhetsskanning.

Liang Jie Wong från A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech) och medarbetare från MIT, Technion och University of Mons har tagit fram en enkel och kompakt metod för att generera röntgenstrålar genom att kollidera fria elektroner med ytvågor på ett material upplyst av en laserpuls1.

"Baserat på våra teoretiska förutsägelser, vårt experiment i laboratorieskala kommer att kunna generera en röntgenljusstyrka som är jämförbar med den som används för medicinsk bildbehandling, "Sa Wong.

"Med några justeringar, vi är optimistiska att vi kan nå synkrotronljusstyrka. Vi är mycket glada över det. "

Synkrotroner är röntgenkällor vars strålning är tillräckligt stark för att möjliggöra detaljerad undersökning av små strukturer som proteiner eller komplexa kristaller. Dock, de är stora installationer; vanligtvis tiotals meter i skala som kräver hela byggnader för att hysa dem.

Wong och hans team tänker sig en bordsapparat för sina röntgengeneratorer, som förlitar sig på interaktionen mellan en laser vid våglängder mellan infrarött och ultraviolett, och elektronenergier runt fem mega-elektronvolt, en regim som kan uppnås med nuvarande toppmoderna elektronpistoler.

Arenan för interaktionen mellan lasern och elektronerna är en uppsättning mikroskopiska silverstrukturer på en glasskiva. Lasern är riktad mot ytan i en vinkel, skapar ytvågor som kallas plasmonpolaritoner. Elektronerna skjuts sedan parallellt med ytan in i ytvågorna, som interagerar med de fria elektronerna, att få sina banor att böljas, som genererar röntgenstrålar.

Omvandlingen till röntgenenergier är ett resultat av egenskaperna hos plasmonpolaritoner, hybridpartiklar bildade genom koppling av elektroner och fotoner. Dessa hybridpartiklar är starkt begränsade till ytan, som koncentrerar intensiteten. Eftersom den rumsliga dimensionen kraftigt reduceras, polaritons momentum ökar kraftigt vid en given energi, vilket resulterar i omvandling från få-eV-plasmonpolaritoner till keV-röntgenstrålar, med hjälp av MeV -elektronenergier.

"Det är en elektrodynamisk process som ingen hade förutspått, "Sa Wong.

Teamet undersökte en rad konfigurationer för metamaterialet, med grupper av strukturer som sträcker sig i storlek och avstånd från 5 nanometer till 26 nanometer och med jämna mellanrum cirka 90 nanometer från varandra.

Resultaten visade att det var möjligt att kontrollera röntgenstrålarnas rumsliga och tidsmässiga egenskaper genom att ändra parametrar som metasytans geometri, eller formen på elektronvågpaketen. Möjligheten att styra strålfunktionerna är en stor fördel eftersom röntgenstrålar är utmanande att fokusera och styra:de tenderar att passera genom de flesta material utan att interagera.

Som ett exempel, Wong påpekar att med rätt konfiguration, mycket riktade röntgenstrålar som är i steg (koherent) kan genereras. "För sammanhängande utmatning, du måste se till att ditt elektronvågpaket är korrekt format, "Säger Wong.

Generering av koherenta röntgenstrålar ger processen en stor fördel jämfört med konventionell medicinsk avbildning eftersom den tillåter faskontrastavbildning, en teknik som kan ge högre kontrast än de absorptionsprocesser som bildar konventionella röntgenundersökningar.

Teamet utvecklade programvara för att göra ab initio -beräkningar med klassisk elektromagnetisk teori, och sedan korskontrollerade dem med ett andra tillvägagångssätt baserat på kvantelektrodynamik. De fann utmärkt överensstämmelse mellan de två tillvägagångssätten, vilket har gett dem förtroende för att ta nästa steg.

Wong och hans medarbetare planerar nu att genomföra bevis på principiella experiment med den nya röntgenkällan.

"Om vi ​​lyckas skala upp, effekten kommer att bli ganska revolutionerande. Istället för att bara ha några synkrotroner att använda, du kan placera en röntgenkälla med hög ljusstyrka i varje labb och sjukhus, " han säger.