Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Team ontwikkelt nieuwe manier om krachtige en gerichte röntgenstraling te genereren met behulp van elektronengolfvormgeving

(a) Gewone elektronen zonder golfvorming hebben een uniform golfpatroon wanneer ze zich voortbewegen. In simulaties botsen de elektronen met de atomen in grafeen (rode bollen vertegenwoordigen grafeenatomen en blauwe balken vertegenwoordigen de bindingen daartussen; rode cirkelvormige ringen vertegenwoordigen de posities van de grafeenatomen). Na de botsing worden röntgenstralen in brede richtingen uitgezonden. De geproduceerde divergerende röntgenstralen kunnen worden gebruikt voor röntgenopnamen, bijvoorbeeld van een hand, maar het beeld is vaag en de kwaliteit ervan is niet erg hoog. (b) De elektronen krijgen een golfvorm met behulp van een golfvormend instrument, zoals een faseplaat, en ze vormen regelmatige golfpatronen (groene ringen) die overlappen met de posities van de grafeenatomen (rode cirkelvormige ringen). Met deze speciaal gevormde elektronengolfpatronen kunnen röntgenstralen worden gegenereerd die helderder en gerichter zijn. Deze röntgenfoto's kunnen worden gebruikt om kleinere delen van het lichaam, zoals vingergewrichten, met hoge kwaliteit in beeld te brengen. Credits:Lee Wei Wesley Wong, Xihang Shi, Aviv Karnieli, Jeremy Lim, Suraj Kumar, Sergio Carbajo, Ido Kaminer en Liang Jie Wong

Wetenschappers onder leiding van de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) hebben een nieuwe energie-efficiënte manier ontwikkeld en gesimuleerd om zeer gerichte en nauwkeurig gecontroleerde röntgenstralen te genereren die tot duizend keer intenser zijn dan die van traditionele methoden. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Light:Science &Applications .



Dit maakt de weg vrij voor röntgenbeeldvorming van ultrahoge kwaliteit waarbij krachtige röntgenstralen worden gebruikt om fouten in halfgeleiderchips nauwkeurig te detecteren. De nieuwe methode zou het ook mogelijk kunnen maken om gerichter röntgenfoto's te maken voor gezondheidsonderzoek, terwijl er minder energie wordt verbruikt.

De nieuwe methode is gebaseerd op computersimulaties die elektronen afschieten op een ultradun materiaal met zeer geordende structuren, zoals grafeen. Het basismechanisme is vergelijkbaar met de manier waarop röntgenstralen conventioneel worden geproduceerd met behulp van röntgenbuizen. Maar er is een twist:in de simulaties worden de golfachtige patronen van hoe de elektronen reizen op een zeer specifieke manier 'gevormd', zodat het reispad van de deeltjes overeenkomt en overlapt met de zeer gestructureerde posities van de atomen van het materiaal.

Dit resulteert theoretisch in röntgenstraling die met veel hogere intensiteiten wordt uitgezonden dan normaal, en die nauwkeurig kan worden gecontroleerd, zodat ze in veel verschillende richtingen of in één algemene richting worden gegenereerd.

Wanneer de afgevuurde elektronen botsen met de atomen van het materiaal, worden de elektronen gewoonlijk afgebogen en zenden ze röntgenstraling uit, in wat remstraling of 'remstraling' wordt genoemd.

Bremsstrahlung draagt ​​bij aan het grootste deel van de uitgezonden röntgenstraling bij conventionele methoden voor het opwekken van de straling met behulp van röntgenbuizen. Maar één probleem is dat de röntgenstralen niet gefocust zijn, omdat ze in verschillende richtingen worden uitgezonden. De huidige methoden proberen dit aan te pakken door de röntgenstralen zo te filteren dat alleen de röntgenstralen die in de gewenste richting worden uitgezonden, worden gebruikt. Maar zelfs deze gefilterde röntgenstralen zijn nog steeds tamelijk diffuus.

Een internationaal team van wetenschappers van de Singapore University of Technology and Design, Stanford University, Technion-Israel Institute of Technology, Tel Aviv University en de University of California, Los Angeles, onder leiding van Nanyang assistent-professor Wong Liang Jie van NTU's School of Electrical and Electronic Engineering heeft een manier ontwikkeld om deze uitdagingen in computersimulaties te overwinnen, door de manier te veranderen waarop de afgevuurde elektronen zich verplaatsen.

Met behulp van computers modelleerden de wetenschappers elektronen die door een speciaal gemaakte plaat gingen waar ook stroom doorheen vloeide om een ​​spanning te genereren. De wetenschappers konden in simulaties aantonen dat de manier waarop de elektronen zich verplaatsten veranderde nadat ze door zo'n 'faseplaat' waren gegaan, een effect dat elektronengolfvorming wordt genoemd.

Dit gebeurt omdat elektronendeeltjes volgens de kwantumfysica in een golfpatroon kunnen reizen zoals lichtgolven. Als gevolg hiervan heeft eerder onderzoek aangetoond dat ze met elkaar kunnen interfereren nadat ze door een faseplaat zijn gegaan. De spanning van de plaat veroorzaakt ook verschuivingen in het patroon van de golfachtige beweging van de elektronen, en het aanpassen van de spanning kan ook het golfpatroon van het elektron aanpassen.

De gevormde elektronen werden vervolgens gesimuleerd om in te slaan op een ultradun materiaal gemaakt van grafeen dat ongeveer 1000 keer dunner was dan een haarlok.

Vanwege de manier waarop deze elektronen werden gevormd, had het reispad van de elektronen een zeer grote neiging om overeen te komen met de hexagonale posities van de atomen in grafeen.

Nanyang assistent-professor Wong Liang Jie (links) en onderzoeksingenieur Wesley Wong van de NTU Singapore's School of Electrical &Electronic Engineering met een transmissie-elektronenmicroscoop. Ze maken deel uit van een team van onderzoekers die van plan zijn de microscoop te gebruiken in experimenten om de resultaten te bevestigen van simulaties die aantoonden dat zeer gerichte en nauwkeurig gecontroleerde röntgenstralen kunnen worden geproduceerd met behulp van elektronen waarvan de golfpatronen zijn veranderd. Credit:NTU Singapore

Hierdoor werd de kans groter dat de elektronen met de atomen zouden botsen en uit de simulaties bleek dat er daardoor meer röntgenstraling zou worden uitgezonden, waardoor de intensiteit van de geproduceerde straling zou toenemen.

Uit de simulaties bleek dat de nieuwe methode ook energiezuiniger was. Door dezelfde hoeveelheid stroom te gebruiken om elektronen af ​​te vuren, waren de röntgenstralen geproduceerd door de methode van de onderzoekers tot duizend keer krachtiger dan die geproduceerd door conventionele methoden met röntgenbuizen. De intensiteit van de straling kan ook worden aangepast door wijzigingen aan te brengen in de faseplaat.

Afhankelijk van waar de röntgenstralen voor worden gebruikt, kunnen ze met de nieuwe methode in verschillende richtingen worden uitgezonden of in één algemene richting worden gefocust, waardoor toekomstige apparaten voor het genereren van röntgenstralen beter afstembaar kunnen zijn dan voorheen. Deze fijne controle werd bereikt in simulaties door de spanning van de plaat aan te passen om het patroon en het pad van de manier waarop de elektronen zich verplaatsten te veranderen.

Toen het golfpatroon van de elektronen de neiging had om het oppervlak van hele atomen te overlappen, waren de geproduceerde röntgenstralen meer diffuus. Door de spanning van de plaat aan te passen, zodat het golfpatroon van de elektronen samenvalt met ringvormige lagen rond de atomen, wordt röntgenstraling in één algemene richting gegenereerd.

De gefocusseerde röntgenstralen werden waarschijnlijk geproduceerd omdat de manier waarop de elektronen met atomen interageerden veranderd was, wat resulteerde in interferentie door de röntgenstralen die de röntgenstralen vernietigden die in sommige richtingen werden uitgezonden, terwijl ze andere in één richting versterkten.

Omdat de nieuwe methode minder energie vereist om intense röntgenstralen te produceren, zou dit de weg kunnen openen voor de productie van kleinere röntgengenererende apparaten, omdat er een minder krachtige energiebron nodig is – mogelijk door standaardmachines die groter kunnen zijn dan een huis te verkleinen. eentje die op een tafel past.

Hoewel er bestaande commerciële instrumenten bestaan ​​die elektronengolfvormgeving kunnen uitvoeren, is het gebruik ervan om zeer intensieve en afstembare röntgenstralen te produceren nieuw, aangezien onderzoekers in het verleden hebben geprobeerd elektronengolfvormgeving te gebruiken om andere soorten straling te veranderen.

Deze eerdere pogingen inspireerden de wetenschappers onder leiding van Asst. Prof. Wong gaat proberen röntgenfoto's in computermodellen vorm te geven om te bepalen hoe de uitkomsten veranderen wanneer verschillende parameters worden aangepast. Uit één van deze gesimuleerde experimenten bleek dat het veranderen van het patroon van de manier waarop elektronen zich verplaatsen de helderheid van de geproduceerde röntgenstraling zou kunnen verhogen en dit vormde de basis van het laatste onderzoek.

Mogelijke toepassingen van de krachtige röntgenstralen die door de methode van de wetenschappers worden geproduceerd, zijn onder meer het gebruik ervan om röntgenbeelden met een zeer hoge resolutie van halfgeleiderchips te produceren, zodat moeilijk zichtbare fouten in gefabriceerde chips nauwkeuriger kunnen worden gedetecteerd.

Omdat de geproduceerde röntgenstralen kunnen worden gecontroleerd om diffuus of gefocust te zijn, zou de nieuwe methode meer flexibiliteit kunnen bieden bij het uitvoeren van röntgenbeelden voor gezondheidsscreening, zoals het maken van een beeld van een hele hand of slechts een vingergewricht, terwijl er minder energie wordt gebruikt om de straling produceren. Gerichte en intense röntgenfoto's kunnen ook worden gebruikt bij meer gerichte radiotherapie om kanker te behandelen.

De wetenschappers zijn nu van plan experimenten uit te voeren om de resultaten van hun simulaties te bevestigen.

Assistent. Prof. Wong zei:"De precisie van elektronengolfvorming is cruciaal voor de gegenereerde röntgenstralen. Wij geloven dat met de snelle vooruitgang van elektronengolfvormingstechnieken ons voorgestelde mechanisme volledig kan worden geïmplementeerd voor intense en zeer afstembare röntgenfoto's op tafelbladen. technologie."

Meer informatie: Lee Wei Wesley Wong et al, Vrije-elektronenkristallen voor verbeterde röntgenstraling, Licht:wetenschap en toepassingen (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01363-4

Journaalinformatie: Licht:wetenschap en toepassingen

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Wat is de Marshmallow-test en kunnen dieren deze doorstaan?
  2. Hoe is het schrijven geëvolueerd?
  3. Gegevens verzamelen:Latijns-Amerikaanse AI-startups transformeren de landbouw
  4. Ontdekking van een nieuwe oude reuzenslang in India
  5. Los Angeles Zoos oude Indiase neushoorn geëuthanaseerd
  6. Opnieuw geïntroduceerde buideldieren kunnen een nieuwe bedreiging vormen voor op de grond levende vogels
  7. Wat gebeurt er wanneer Pepsin zich mengt met voedsel in de maag?
  8. Woordproblemen schrijven voor Math
  9. Een beetje stress is goed voor de gezondheid van de cellen en een lang leven

Wetenschap