Des scientifiques dirigés par l'Université technologique de Nanyang à Singapour (NTU Singapour) ont développé et simulé une nouvelle méthode économe en énergie pour générer des rayons X hautement concentrés et finement contrôlés, jusqu'à mille fois plus intenses que ceux des méthodes traditionnelles. Les résultats sont publiés dans la revue Light:Science &Applications .

Cela ouvre la voie à une imagerie par rayons X de très haute qualité qui utilise des rayons X puissants pour détecter avec précision les défauts des puces semi-conductrices. La nouvelle méthode pourrait également permettre de réaliser une imagerie par rayons X plus ciblée pour le dépistage médical tout en utilisant moins d'énergie.

La nouvelle méthode est basée sur des simulations informatiques qui projettent des électrons sur un matériau ultra-mince doté de structures hautement ordonnées, tel que le graphène. Le mécanisme de base est similaire à la façon dont les rayons X sont traditionnellement produits à l’aide de tubes à rayons X. Mais il y a une différence :dans les simulations, les modèles ondulatoires de la façon dont les électrons se déplacent sont "façonnés" d'une manière très spécifique, de sorte que le chemin de déplacement des particules correspond et chevauche les positions hautement structurées des atomes du matériau. /P>

Cela se traduit théoriquement par des rayons X émis à des intensités beaucoup plus élevées que la normale, et qui peuvent être finement contrôlés afin qu'ils soient générés soit dans de nombreuses directions différentes, soit dans une seule direction générale.

Habituellement, lorsque les électrons tirés entrent en collision avec les atomes du matériau, les électrons sont déviés et émettent des rayons X, dans ce qu'on appelle le bremsstrahlung ou « rayonnement de freinage ».

Le Bremsstrahlung contribue à la plupart des rayons X émis dans les méthodes conventionnelles de génération de rayonnement utilisant des tubes à rayons X. Mais le problème est que les rayons X ne sont pas focalisés puisqu’ils sont émis dans des directions différentes. Les méthodes actuelles tentent de résoudre ce problème en filtrant les rayons X afin que seuls ceux émis dans la direction souhaitée soient utilisés. Cependant, même ces rayons X filtrés restent assez diffusés.

Une équipe internationale de scientifiques de l'Université de technologie et de design de Singapour, de l'Université de Stanford, du Technion-Institut de technologie d'Israël, de l'Université de Tel Aviv et de l'Université de Californie à Los Angeles, dirigée par le professeur adjoint de Nanyang, Wong Liang Jie, de l'École d'électricité et de technologie de NTU. Electronic Engineering, a développé un moyen de surmonter ces défis dans les simulations informatiques, en modifiant la façon dont les électrons tirés se déplacent.

À l’aide d’ordinateurs, les scientifiques ont modélisé des électrons traversant une plaque spécialement conçue qui est également traversée par un courant pour générer une tension. Les scientifiques ont pu montrer dans des simulations que la façon dont les électrons se déplaçaient changeait après avoir traversé une telle « plaque de phase », un effet appelé formation d'onde électronique.

Cela se produit parce que les particules électroniques sont capables de se déplacer selon un modèle d’onde comme les ondes lumineuses, selon la physique quantique. En conséquence, des recherches antérieures ont montré qu’ils peuvent interférer les uns avec les autres après avoir traversé une plaque de phase. La tension de la plaque provoque également des changements dans le modèle de mouvement ondulatoire des électrons, et l'ajustement de la tension peut également modifier le modèle d'onde de l'électron.

Les électrons façonnés ont ensuite été simulés pour frapper un matériau ultra-fin composé de graphène environ 1 000 fois plus fin qu'une mèche de cheveux.

En raison de la façon dont ces électrons étaient façonnés, le chemin de déplacement des électrons avait une très forte tendance à correspondre aux positions hexagonales des atomes dans le graphène.

Cela a augmenté la probabilité que les électrons entrent en collision avec les atomes et les simulations ont montré que davantage de rayons X seraient émis en conséquence, augmentant ainsi l'intensité du rayonnement produit.

Les simulations ont montré que la nouvelle méthode était également plus économe en énergie. En utilisant la même quantité de courant pour tirer des électrons, les rayons X produits par la méthode des chercheurs étaient jusqu'à mille fois plus puissants que ceux produits par les méthodes conventionnelles utilisant des tubes à rayons X. L'intensité du rayonnement pourrait également être ajustée en apportant des modifications à la plaque de phase.

En fonction de l'utilisation des rayons X, ils pourraient être émis dans différentes directions ou focalisés dans une direction générale avec la nouvelle méthode, permettant ainsi aux futurs dispositifs générateurs de rayons X d'être plus réglables qu'auparavant. Ce contrôle précis a été obtenu lors de simulations en ajustant la tension de la plaque pour modifier le modèle et le chemin de déplacement des électrons.

Lorsque le motif d’onde des électrons avait tendance à chevaucher la surface d’atomes entiers, les rayons X produits étaient plus diffusés. Ajuster la tension de la plaque pour faire coïncider le motif d'onde des électrons avec les couches en forme d'anneau autour des atomes génère des rayons X dans une direction générale.

Les rayons X focalisés ont probablement été produits parce que la façon dont les électrons interagissaient avec les atomes a été modifiée, ce qui a entraîné une interférence des rayons X qui ont détruit les rayons X émis dans certaines directions tout en renforçant d'autres dans une direction.

Étant donné que la nouvelle méthode nécessite moins d’énergie pour produire des rayons X intenses, elle pourrait ouvrir la voie à la fabrication de dispositifs générateurs de rayons X plus petits puisqu’une source d’énergie moins puissante est nécessaire – ce qui pourrait réduire la taille des machines standard qui pourraient être plus grandes qu’une maison. celui qui pourrait tenir sur une table.

Bien qu'il existe des instruments commerciaux capables de façonner les ondes électroniques, leur utilisation pour produire des rayons X de haute intensité et accordables est une nouveauté, car les chercheurs ont par le passé essayé d'utiliser la formation d'ondes électroniques pour modifier d'autres types de rayonnement.

Ces précédentes tentatives ont inspiré les scientifiques dirigés par Asst. Le professeur Wong tentera de modeler les ondes des rayons X dans des modèles informatiques afin de déterminer comment les résultats changent lorsque différents paramètres sont ajustés. L'une de ces expériences simulées a révélé que la modification du mode de déplacement des électrons pouvait augmenter la luminosité des rayons X produits, ce qui a constitué la base des dernières recherches.

Les applications potentielles des puissants rayons X produits par la méthode des scientifiques incluent leur utilisation pour produire des images radiographiques à très haute résolution de puces semi-conductrices afin de détecter plus précisément les défauts difficiles à voir dans les puces fabriquées.

Étant donné que les rayons X produits pourraient être contrôlés pour être diffusés ou focalisés, la nouvelle méthode pourrait offrir plus de flexibilité dans la réalisation d'imagerie par rayons X pour le dépistage médical, comme l'imagerie d'une main entière ou simplement d'une articulation d'un doigt, tout en utilisant moins d'énergie pour produire le rayonnement. Les rayons X focalisés et intenses pourraient également être utilisés dans une radiothérapie plus ciblée pour traiter le cancer.

Les scientifiques envisagent désormais de réaliser des expériences pour confirmer les résultats de leurs simulations.

Asst. Le professeur Wong a déclaré :« La précision de la mise en forme des ondes électroniques est cruciale pour les rayons X générés. Nous pensons qu'avec l'avancement rapide des techniques de mise en forme des ondes électroniques, le mécanisme que nous proposons peut être entièrement mis en œuvre pour des rayons X de table intenses et hautement réglables. technologie."

Plus d'informations : Lee Wei Wesley Wong et al, Cristaux d'électrons libres pour un rayonnement de rayons X amélioré, Lumière :Science et applications (2024). DOI :10.1038/s41377-023-01363-4

Informations sur le journal : La lumière :science et applications

Fourni par l'Académie chinoise des sciences