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(noticias nanowerk) Científicos dirigidos por la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) han desarrollado y simulado un nuevo método energéticamente eficiente para producir rayos X altamente enfocados y finamente controlados que son hasta mil veces más intensos que los producidos con métodos tradicionales (Luz: ciencia y aplicaciones“Cristales de electrones libres para rayos X amplificados”).
Esto allana el camino para la obtención de imágenes de rayos X de alta calidad, que utilizan potentes rayos X para detectar con precisión defectos en chips semiconductores. El nuevo método también podría permitir imágenes de rayos X más enfocadas para exámenes de salud utilizando menos energía.
![Imagen de rayos X de electrones ordinarios o electrones en forma de onda.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/id64514_1.jpg)
El novedoso método se basa en simulaciones por ordenador en las que se disparan electrones contra un material ultrafino con estructuras muy ordenadas, como el grafeno. El mecanismo básico es similar a la generación tradicional de rayos X utilizando tubos de rayos X. Pero hay un giro: en las simulaciones, los patrones ondulatorios del movimiento de los electrones se «modelan» de maneras muy específicas, de modo que la trayectoria de las partículas coincide y se superpone con las posiciones altamente estructuradas de los átomos del material.
En teoría, esto da como resultado que los rayos X se emitan a una intensidad mucho mayor de lo normal y se pueden controlar con precisión para que se produzcan 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, los llamados Bremsstrahl o «Bremsstrahl».
En los métodos convencionales de generación de radiación mediante tubos de rayos X, Bremsstrahl es responsable de la mayoría de los rayos X emitidos. Sin embargo, un problema es que los rayos X no se enfocan porque se emiten en diferentes direcciones. Los métodos actuales intentan abordar este problema filtrando los rayos X para que sólo se utilicen aquellos emitidos en la dirección deseada. Sin embargo, incluso estos rayos X filtrados siguen siendo bastante difusos.
Un equipo internacional de científicos dirigido por el profesor asistente de Nanyang, Wong Liang Jie, del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de NTU, desarrolló una forma de superar estos desafíos en simulaciones por computadora cambiando la forma en que viajan los electrones disparados.
Los otros investigadores proceden de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur, la Universidad de Stanford, el Technion – Instituto de Tecnología de Israel, la Universidad de Tel Aviv y la Universidad de California en Los Ángeles.
Usando computadoras, los científicos modelaron electrones que pasan a través de una placa hecha a medida a través de la cual también fluye corriente para crear un voltaje. Los científicos pudieron demostrar en simulaciones que la forma en que se mueven los electrones cambia después de pasar a través de dicha «placa de fase», un efecto llamado «formación de ondas electrónicas».
Esto sucede porque, según la física cuántica, las partículas de electrones pueden propagarse siguiendo un patrón de ondas como las ondas de luz. Por lo tanto, investigaciones anteriores han demostrado que pueden interferir entre sí después de pasar por una placa de fase. El voltaje de la placa también provoca cambios en el patrón de movimiento ondulatorio de los electrones, y el ajuste del voltaje también puede cambiar el patrón de onda del electrón.
Luego se simuló que los electrones formados golpeaban un material ultrafino hecho de grafeno, que es aproximadamente 1.000 veces más delgado que un mechón de cabello.
Debido a la forma de estos electrones, la trayectoria de los electrones tenía una tendencia muy alta a ajustarse a las posiciones hexagonales de los átomos en el grafeno.
Esto aumentaba la probabilidad de que los electrones colisionaran con los átomos, y las simulaciones demostraron que esto provocaría que se emitieran más rayos X, aumentando así la intensidad de la radiación producida.
Las simulaciones mostraron que el nuevo método también era más eficiente energéticamente. Utilizando la misma cantidad de corriente para disparar electrones, los rayos X producidos con el método de los investigadores fueron hasta mil veces más potentes que los producidos con métodos convencionales que utilizan tubos de rayos X. La intensidad de la radiación también podría ajustarse cambiando la placa de fase.
Dependiendo de para qué se utilicen los rayos X, el nuevo método podría permitir emitirlos en diferentes direcciones o enfocarlos en una dirección general, haciendo 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 los electrones.
Cuando el patrón de ondas de los electrones tendía a superponerse a la superficie de átomos enteros, los rayos X producidos estaban más dispersos. Al cambiar el voltaje de la placa de modo que el patrón de onda de los electrones coincidiera con las capas en forma de anillo alrededor de los átomos, se produjeron rayos X en una dirección general.
Los rayos X enfocados probablemente se crearon cambiando 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 amplificaba otras en una dirección.
Debido a que el nuevo método requiere menos energía para producir rayos X intensos, podría allanar el camino para la fabricación de dispositivos generadores de rayos X más pequeños porque se requiere una fuente de energía menos potente, lo que podría conducir a dispositivos estándar que podrían ser más grandes que una casa. , encoja uno que pueda caber en una mesa.
Si bien existen instrumentos comerciales que pueden realizar la formación de ondas de electrones, su uso para producir rayos X sintonizables y de alta intensidad es nuevo, ya que los investigadores han intentado utilizar la formación de ondas de electrones para manipular otros tipos de radiación en el pasado.
Estos experimentos anteriores inspiraron a los científicos dirigidos por el profesor asistente Wong a probar la formación de ondas de rayos X en modelos informáticos para determinar cómo cambiaban los resultados cuando se ajustaban diferentes parámetros. Uno de estos experimentos simulados encontró que cambiar el patrón de movimiento de los electrones podría aumentar el brillo de los rayos X producidos, y esto formó la base de las últimas investigaciones.
Las posibles aplicaciones de los potentes rayos X producidos por el método de los científicos incluyen la creación de imágenes de rayos X de muy alta resolución de chips semiconductores para detectar con mayor precisión defectos difíciles de ver en los chips fabricados.
Debido a que los rayos X producidos se pueden controlar para dispersarse o enfocarse, el nuevo método podría ofrecer más flexibilidad al tomar rayos X para exámenes de salud, como imágenes de una mano completa o solo la articulación de un dedo, mientras usa menos energía para generar radiación. Los rayos X enfocados e intensos también podrían usarse en radioterapia más dirigida para tratar el cáncer.
Los científicos planean ahora realizar experimentos para confirmar los resultados de sus simulaciones.
El profesor asistente Wong dijo: “La precisión de la formación de ondas de electrones es fundamental para los rayos X producidos. Creemos que con el rápido avance de las técnicas de formación de ondas de electrones, nuestro mecanismo propuesto puede implementarse completamente para una tecnología de rayos X de mesa intensiva y altamente sintonizable”.
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