Forskare under ledning av Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har utvecklat och simulerat ett nytt energieffektivt sätt att generera högfokuserade och finkontrollerade röntgenstrålar som är upp till tusen gånger mer intensiva än de från traditionella metoder. Resultaten publiceras i tidskriften Light:Science &Applications .
Detta banar väg för ultrahögkvalitativ röntgenbild som använder kraftfulla röntgenstrålar för att detektera brister i halvledarchips exakt. Den nya metoden kan också göra det möjligt att göra mer fokuserad röntgenbild för hälsoundersökningar samtidigt som man använder mindre energi.
Den nya metoden bygger på datorsimuleringar som skjuter elektroner mot ett ultratunt material med högt ordnade strukturer, som grafen. Den grundläggande mekanismen liknar hur röntgenstrålar konventionellt produceras med röntgenrör. Men det finns en twist:I simuleringarna är de vågliknande mönstren för hur elektronerna färdas "formade" på ett mycket specifikt sätt så att partiklarnas färdväg matchar och överlappar med de mycket strukturerade positionerna för materialets atomer.
Detta resulterar teoretiskt i röntgenstrålar som sänds ut med mycket högre intensitet än normalt, och som kan finregleras så att de genereras i antingen många olika riktningar eller i en enda allmän riktning.
Vanligtvis, när de avfyrade elektronerna kolliderar med materialets atomer, blir elektronerna avböjda och avger röntgenstrålar, i det som kallas bremsstrahlung eller "bromsstrålning."
Bremsstrahlung bidrar till de flesta av de utsända röntgenstrålarna i konventionella metoder för att generera strålningen med röntgenrör. Men ett problem är att röntgenstrålarna inte är fokuserade eftersom de sänds ut i olika riktningar. Nuvarande metoder försöker åtgärda detta genom att filtrera röntgenstrålarna så att endast de som sänds ut i önskad riktning används. Men även dessa filtrerade röntgenstrålar är fortfarande ganska diffusa.
Ett internationellt team av forskare från Singapore University of Technology and Design, Stanford University, Technion–Israel Institute of Technology, Tel Aviv University och University of California, Los Angeles, ledd av Nanyang Assistant Professor Wong Liang Jie från NTU:s School of Electrical and Electronic Engineering, utvecklade ett sätt att övervinna dessa utmaningar i datorsimuleringar, genom att förändra hur de avfyrade elektronerna färdas.
Med hjälp av datorer modellerade forskarna elektroner som passerade genom en specialtillverkad platta som också har en ström som flyter genom den för att generera en spänning. Forskarna kunde i simuleringar visa att elektronernas sätt att färdas förändrades efter att ha passerat genom en sådan "fasplatta", en effekt som kallas elektronvågformning.
Detta händer eftersom elektronpartiklar kan färdas i ett vågmönster som ljusvågor, enligt kvantfysiken. Som ett resultat har tidigare forskning visat att de kan störa varandra efter att ha passerat genom en fasplatta. Plattans spänning orsakar också förskjutningar i mönstret för elektronernas vågliknande rörelse, och justering av spänningen kan också justera elektronens vågmönster.
De formade elektronerna simulerades sedan för att träffa ett ultratunt material tillverkat av grafen cirka 1 000 gånger tunnare än ett hårstrå.
På grund av hur dessa elektroner formades hade elektronernas färdväg en mycket hög tendens att matcha de sexkantiga positionerna för atomerna i grafen.
Detta ökade sannolikheten för att elektronerna skulle kollidera med atomerna och simuleringarna visade att fler röntgenstrålar skulle sändas ut som ett resultat och därmed öka intensiteten på den strålning som produceras.
Simuleringarna visade att den nya metoden också var mer energieffektiv. Genom att använda samma mängd ström för att avfyra elektroner, var de röntgenstrålar som producerades med forskarnas metod upp till tusen gånger kraftfullare än de som producerades med konventionella metoder med röntgenrör. Strålningens intensitet kan också justeras genom att göra ändringar i fasplattan.
Beroende på vad röntgenstrålarna används till kan de sändas ut i olika riktningar eller fokuseras i en allmän riktning med den nya metoden, vilket gör att framtida röntgengenererande enheter kan vara mer avstämbara än tidigare. Denna fina kontroll uppnåddes i simuleringar genom att justera plattans spänning för att ändra mönstret och vägen för hur elektronerna färdades.
När elektronernas vågmönster tenderade att överlappa ytan av hela atomer, var de producerade röntgenstrålarna mer diffusa. Att justera plattans spänning för att få elektronernas vågmönster att istället sammanfalla med ringformade skikt runt atomerna genererade röntgenstrålar i en allmän riktning.
De fokuserade röntgenstrålarna producerades sannolikt eftersom hur elektronerna interagerar med atomer förändrades, vilket resulterade i interferens av röntgenstrålar som förstörde röntgenstrålar som sänds ut i vissa riktningar samtidigt som de förstärkte andra i en riktning.
Eftersom den nya metoden kräver mindre energi för att producera intensiva röntgenstrålar, kan den öppna vägen för att mindre röntgengenererande enheter kan tillverkas eftersom en mindre kraftfull energikälla behövs – eventuellt krympande standardmaskiner som kan vara större än ett hus för att en som får plats på ett bord.
Även om det finns befintliga kommersiella instrument som kan göra elektronvågformning, är det nytt att använda dem för att producera högintensiva och avstämbara röntgenstrålar, eftersom forskare tidigare försökte använda elektronvågformning för att ändra andra typer av strålning.
Dessa tidigare försök inspirerade forskarna under ledning av Asst. Prof. Wong för att prova vågformande röntgenstrålar i datormodeller för att fastställa hur utfallen förändrades när olika parametrar justerades. Ett av dessa simulerade experiment visade att en förändring av mönstret för hur elektroner färdades kunde öka ljusstyrkan hos de röntgenstrålar som produceras och detta utgjorde grunden för den senaste forskningen.
Potentiella tillämpningar av de kraftfulla röntgenstrålar som produceras av forskarnas metod inkluderar att använda dem för att producera mycket högupplösta röntgenbilder av halvledarchips för att upptäcka eventuella svåra att se brister i tillverkade chips mer exakt.
Eftersom de producerade röntgenstrålarna kunde kontrolleras för att antingen vara diffusa eller fokuserade, skulle den nya metoden kunna erbjuda mer flexibilitet när det gäller att utföra röntgenbilder för hälsoscreening, som att avbilda en hel hand eller bara en fingerled, samtidigt som man använder mindre energi för att producerar strålningen. Fokuserad och intensiv röntgenstrålning kan också användas i mer riktad strålbehandling för att behandla cancer.
Forskarna planerar nu att genomföra experiment för att bekräfta resultaten av deras simuleringar.
Asst. Prof. Wong sa:"Precisionen i elektronvågformning är avgörande för den genererade röntgenstrålningen. Vi tror att med den snabba utvecklingen av elektronvågformningstekniker kan vår föreslagna mekanism implementeras fullt ut för intensiv och mycket avstämbar bordsröntgenstrålning. teknik."
Mer information: Lee Wei Wesley Wong et al, Frielektronkristaller för förbättrad röntgenstrålning, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01363-4
Journalinformation: Ljus:Vetenskap och tillämpningar
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
