Gli scienziati guidati dalla Nanyang Technological University di Singapore (NTU Singapore) hanno sviluppato e simulato un nuovo modo efficiente dal punto di vista energetico per generare raggi X altamente focalizzati e finemente controllati che sono fino a mille volte più intensi di quelli dei metodi tradizionali. I risultati sono pubblicati sulla rivista Light:Science &Applications .
Ciò apre la strada all’imaging a raggi X di altissima qualità che utilizza potenti raggi X per rilevare accuratamente i difetti nei chip semiconduttori. Il nuovo metodo potrebbe anche consentire di eseguire immagini radiografiche più mirate per lo screening sanitario utilizzando meno energia.
Il nuovo metodo si basa su simulazioni al computer che sparano elettroni su un materiale ultrasottile con strutture altamente ordinate, come il grafene. Il meccanismo di base è simile a quello con cui i raggi X vengono convenzionalmente prodotti utilizzando i tubi a raggi X. Ma c'è una svolta:nelle simulazioni, i modelli ondulatori di come viaggiano gli elettroni sono "modellati" in un modo molto specifico in modo che il percorso di viaggio delle particelle corrisponda e si sovrapponga alle posizioni altamente strutturate degli atomi del materiale. /P>
Ciò teoricamente si traduce in raggi X emessi a intensità molto più elevate del normale e che possono essere controllati con precisione in modo che vengano generati in molte direzioni diverse o in un'unica direzione generale.
Di solito, quando gli elettroni sparati collidono con gli atomi del materiale, gli elettroni vengono deviati ed emettono raggi X, in quella che viene chiamata bremsstrahlung o "radiazione frenante".
Bremsstrahlung contribuisce alla maggior parte dei raggi X emessi nei metodi convenzionali di generazione della radiazione utilizzando tubi a raggi X. Ma un problema è che i raggi X non sono focalizzati poiché vengono emessi in direzioni diverse. I metodi attuali cercano di risolvere questo problema filtrando i raggi X in modo che vengano utilizzati solo quelli emessi nella direzione desiderata. Tuttavia, anche questi raggi X filtrati sono ancora abbastanza diffusi.
Un team internazionale di scienziati dell'Università di Tecnologia e Design di Singapore, dell'Università di Stanford, del Technion–Israel Institute of Technology, dell'Università di Tel Aviv e dell'Università della California, a Los Angeles, guidato dal professore assistente di Nanyang Wong Liang Jie della School of Electrical and L'ingegneria elettronica ha sviluppato un modo per superare queste sfide nelle simulazioni al computer, modificando il modo in cui viaggiano gli elettroni sparati.
Utilizzando i computer, gli scienziati hanno modellato gli elettroni che passano attraverso una piastra appositamente realizzata che è attraversata anche da una corrente per generare una tensione. Gli scienziati sono stati in grado di dimostrare nelle simulazioni che il modo in cui viaggiavano gli elettroni cambiava dopo aver attraversato una tale "piastra di fase", un effetto chiamato modellazione delle onde degli elettroni.
Ciò accade perché le particelle di elettroni sono in grado di viaggiare secondo uno schema ondulatorio simile alle onde luminose, secondo la fisica quantistica. Di conseguenza, ricerche precedenti hanno dimostrato che possono interferire tra loro dopo aver attraversato una piastra di fase. La tensione della piastra provoca anche cambiamenti nel modello del movimento ondulatorio degli elettroni e la regolazione della tensione può modificare anche il modello d'onda dell'elettrone.
Gli elettroni modellati sono stati quindi simulati per colpire un materiale ultrasottile fatto di grafene, circa 1.000 volte più sottile di una ciocca di capelli.
A causa della forma di questi elettroni, il percorso degli elettroni aveva una tendenza molto elevata a corrispondere alle posizioni esagonali degli atomi nel grafene.
Ciò aumentava la probabilità che gli elettroni entrassero in collisione con gli atomi e le simulazioni mostravano che di conseguenza sarebbero stati emessi più raggi X, aumentando così l'intensità della radiazione prodotta.
Le simulazioni hanno dimostrato che il nuovo metodo era anche più efficiente dal punto di vista energetico. Utilizzando la stessa quantità di corrente per sparare gli elettroni, i raggi X prodotti dal metodo dei ricercatori erano fino a mille volte più potenti di quelli prodotti dai metodi convenzionali che utilizzano tubi a raggi X. L'intensità della radiazione potrebbe anche essere regolata apportando modifiche alla piastra di fase.
A seconda dello scopo per cui vengono utilizzati i raggi X, con il nuovo metodo potrebbero essere emessi in direzioni diverse o focalizzati in una direzione generale, consentendo ai futuri dispositivi di generazione di raggi X di essere più sintonizzabili rispetto a prima. Questo controllo accurato è stato ottenuto nelle simulazioni regolando la tensione della piastra per modificare lo schema e il percorso di viaggio degli elettroni.
Quando il disegno d'onda degli elettroni tendeva a sovrapporsi alla superficie degli atomi interi, i raggi X prodotti erano più diffusi. Modificando la tensione della piastra per far coincidere il modello d'onda degli elettroni con gli strati a forma di anello attorno agli atomi si generano raggi X in una direzione generale.
I raggi X focalizzati sono stati probabilmente prodotti perché il modo in cui gli elettroni interagivano con gli atomi era cambiato, il che ha provocato un'interferenza da parte dei raggi X che hanno distrutto i raggi X emessi in alcune direzioni rinforzandone altri in una direzione.
Poiché il nuovo metodo richiede meno energia per produrre raggi X intensi, potrebbe aprire la strada alla realizzazione di dispositivi di generazione di raggi X più piccoli poiché è necessaria una fonte di energia meno potente, riducendo possibilmente le macchine standard che potrebbero essere più grandi di una casa. uno che potrebbe stare su un tavolo.
Sebbene esistano strumenti commerciali in grado di eseguire la modellazione delle onde degli elettroni, utilizzarli per produrre raggi X ad alta intensità e modulabili è una novità, poiché in passato i ricercatori hanno provato a utilizzare la modellazione delle onde degli elettroni per modificare altri tipi di radiazioni.
Questi tentativi precedenti hanno ispirato gli scienziati guidati dall'Asst. Il Prof. Wong ha provato a modellare le onde dei raggi X in modelli computerizzati per determinare come cambiavano i risultati quando venivano regolati diversi parametri. Uno di questi esperimenti simulati ha scoperto che cambiare il percorso degli elettroni potrebbe aumentare la luminosità dei raggi X prodotti e questo ha costituito la base della ricerca più recente.
Le potenziali applicazioni dei potenti raggi X prodotti dal metodo degli scienziati includono il loro utilizzo per produrre immagini a raggi X ad altissima risoluzione di chip semiconduttori per rilevare con maggiore precisione eventuali difetti difficili da vedere nei chip fabbricati.
Poiché i raggi X prodotti potrebbero essere controllati per essere diffusi o focalizzati, il nuovo metodo potrebbe offrire maggiore flessibilità nell’esecuzione dell’imaging a raggi X per lo screening sanitario, come l’imaging di un’intera mano o solo di un’articolazione di un dito, utilizzando meno energia per produrre la radiazione. I raggi X concentrati e intensi potrebbero anche avere usi nella radioterapia più mirata per curare il cancro.
Gli scienziati stanno ora pianificando di effettuare esperimenti per confermare i risultati delle loro simulazioni.
Assist. Il Prof. Wong ha dichiarato:"La precisione della modellazione delle onde degli elettroni è fondamentale per i raggi X generati. Riteniamo che con il rapido progresso delle tecniche di modellazione delle onde degli elettroni, il nostro meccanismo proposto possa essere completamente implementato per raggi X da tavolo intensi e altamente sintonizzabili". tecnologia."
Ulteriori informazioni: Lee Wei Wesley Wong et al, Cristalli di elettroni liberi per una migliore radiazione di raggi X, Luce:scienza e applicazioni (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01363-4
Informazioni sul giornale: Luce:scienza e applicazioni
Fornito dall'Accademia cinese delle scienze
