Científicos dirigidos por la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) han desarrollado y simulado una nueva forma energéticamente eficiente de generar rayos X altamente enfocados y finamente controlados que son hasta mil veces más intensos que los de los métodos tradicionales. Los hallazgos se publican en la revista Light:Science &Applications. .
Esto allana el camino para la obtención de imágenes de rayos X de altísima calidad que utilizan potentes rayos X para detectar con precisión defectos en chips semiconductores. El nuevo método también podría permitir realizar imágenes de rayos X más enfocadas para exámenes de salud usando menos energía.
El novedoso método se basa en simulaciones por ordenador que disparan electrones a un material ultrafino con estructuras muy ordenadas, como el grafeno. El mecanismo básico es similar a cómo se producen convencionalmente los rayos X utilizando tubos de rayos X. Pero hay un giro:en las simulaciones, los patrones ondulatorios de cómo viajan los electrones se "modelan" de una manera muy específica para que la trayectoria de viaje de las partículas coincida y se superponga con las posiciones altamente estructuradas de los átomos del material. /P>
En teoría, esto da como resultado rayos X que se emiten a intensidades mucho más altas de lo normal y que se pueden controlar con precisión para que se generen en muchas direcciones diferentes o en una sola dirección general.
Normalmente, cuando los electrones disparados chocan con los átomos del material, los electrones se desvían y emiten rayos X, en lo que se llama bremsstrahlung o "radiación de frenado".
Bremsstrahlung contribuye a la mayor parte de los rayos X emitidos en los métodos convencionales de generación de radiación mediante tubos de rayos X. Pero un problema es que los rayos X no están enfocados ya que se emiten en diferentes direcciones. Los métodos actuales intentan solucionar este problema filtrando los rayos X para que sólo se utilicen los emitidos en la dirección deseada. Sin embargo, incluso estos rayos X filtrados siguen estando bastante difundidos.
Un equipo internacional de científicos de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur, la Universidad de Stanford, el Instituto de Tecnología Technion-Israel, la Universidad de Tel Aviv y la Universidad de California en Los Ángeles, dirigido por el profesor asistente de Nanyang, Wong Liang Jie, de la Escuela de Electricidad y Tecnología de NTU. Ingeniería Electrónica, desarrolló una manera de superar estos desafíos en simulaciones por computadora, cambiando la forma en que viajan los electrones disparados.
Usando computadoras, los científicos modelaron electrones que pasan a través de una placa especialmente hecha por la que también fluye una corriente para generar un voltaje. Los científicos pudieron demostrar en simulaciones que la forma en que viajaban los electrones cambiaba después de pasar a través de dicha "placa de fase", un efecto llamado formación de ondas de electrones.
Esto sucede porque las partículas de electrones pueden viajar en un patrón de ondas como las ondas de luz, según la física cuántica. Como resultado, investigaciones anteriores han demostrado que pueden interferir entre sí después de pasar a través de una placa de fase. El voltaje de la placa también provoca cambios en el patrón del movimiento ondulatorio de los electrones, y ajustar el voltaje también puede modificar el patrón de onda del electrón.
Luego se simuló que los electrones moldeados chocaran contra un material ultrafino hecho de grafeno, aproximadamente 1.000 veces más delgado que un mechón de cabello.
Debido a la forma en que se formaron estos electrones, la trayectoria de los electrones tenía una tendencia muy alta a coincidir con las posiciones hexagonales de los átomos en el grafeno.
Esto aumentó la probabilidad de que los electrones colisionaran con los átomos y las simulaciones mostraron que como resultado se emitirían más rayos X, aumentando así la intensidad de la radiación producida.
Las simulaciones demostraron que el nuevo método también era más eficiente energéticamente. Utilizando la misma cantidad de corriente para disparar electrones, los rayos X producidos por el método de los investigadores eran hasta mil veces más potentes que los producidos por métodos convencionales que utilizan tubos de rayos X. La intensidad de la radiación también se podría ajustar realizando cambios en la placa de fase.
Dependiendo de para qué se utilicen los rayos X, podrían emitirse en diferentes direcciones o enfocarse en una dirección general con el nuevo método, lo que permitirá que los futuros dispositivos generadores de rayos X sean más sintonizables que antes. Este fino control se logró en simulaciones ajustando el voltaje de la placa para cambiar el patrón y la trayectoria de cómo viajaban los electrones.
Cuando el patrón de ondas de los electrones tendía a superponerse con la superficie de átomos completos, los rayos X producidos eran más difusos. Ajustar el voltaje de la placa para hacer que el patrón de onda de los electrones coincidiera con capas en forma de anillo alrededor de los átomos generó rayos X en una dirección general.
Los rayos X enfocados probablemente se produjeron porque cambió la forma en que los electrones interactuaban con los átomos, lo que resultó en una interferencia de los rayos X que destruyó los rayos X emitidos en algunas direcciones mientras reforzaba otras en una dirección.
Dado que el nuevo método requiere menos energía para producir rayos X intensos, podría abrir el camino para que se fabriquen dispositivos generadores de rayos X más pequeños, ya que se necesita una fuente de energía menos potente, posiblemente reduciendo el tamaño de máquinas estándar que podrían ser más grandes que una casa. uno que pueda caber en una mesa.
Si bien existen instrumentos comerciales que pueden formar ondas de electrones, usarlos para producir rayos X sintonizables y de alta intensidad es novedoso, ya que los investigadores en el pasado intentaron usar la formación de ondas de electrones para cambiar otros tipos de radiación.
Estos intentos anteriores inspiraron a los científicos dirigidos por Asst. El profesor Wong intentará modelar ondas de rayos X en modelos informáticos para determinar cómo cambiaron los resultados cuando se ajustaron diferentes parámetros. Uno de estos experimentos simulados encontró que cambiar el patrón de cómo viajaban los electrones podría aumentar el brillo de los rayos X producidos y esto formó la base de la última investigación.
Las posibles aplicaciones de los potentes rayos X producidos por el método de los científicos incluyen su uso para producir imágenes de rayos X de muy alta resolución de chips semiconductores para detectar con mayor precisión cualquier defecto difícil de ver en los chips fabricados.
Dado que los rayos X producidos podrían controlarse para que sean difusos o enfocados, el nuevo método podría ofrecer más flexibilidad en la realización de imágenes de rayos X para exámenes de salud, como imágenes de una mano completa o solo la articulación de un dedo, mientras usa menos energía para producir la radiación. Los rayos X enfocados e intensos también podrían tener usos en radioterapia más dirigida para tratar el cáncer.
Los científicos ahora planean realizar experimentos para confirmar los resultados de sus simulaciones.
Asistente. El profesor Wong dijo:"La precisión de la formación de ondas de electrones es crucial para los rayos X generados. Creemos que con el rápido avance de las técnicas de formación de ondas de electrones, nuestro mecanismo propuesto puede implementarse completamente para rayos X de mesa intensos y altamente sintonizables. tecnología."
Más información: Lee Wei Wesley Wong et al, Cristales de electrones libres para mejorar la radiación de rayos X, Luz:ciencia y aplicaciones (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01363-4
Información de la revista: Luz:ciencia y aplicaciones
Proporcionado por la Academia China de Ciencias
