由新加坡南洋理工大学领导的科学家开发并模拟了一种新的节能方法，可以产生高度聚焦和精细控制的X射线，其强度是传统方法的一千倍。
这为超高质量的 X 射线成像铺平了道路，该成像使用强大的 X 射线来准确检测半导体芯片中的缺陷。新方法还可以进行更集中的X射线成像以进行健康检查，同时使用更少的能量。
这种新方法基于计算机模拟，将电子射向具有高度有序结构的超薄材料，如石墨烯。其基本机制类似于传统上使用X射线管产生X射线的方式。但有一个转折点：在模拟中，电子如何传播的波状图案以一种非常特定的方式“塑造”，以便粒子的传播路径与材料原子的高度结构化位置匹配并重叠。
从理论上讲，这导致 X 射线的发射强度比正常强度高得多，并且可以进行精细控制，以便它们在许多不同的方向或单个一般方向上产生。
通常，当发射的电子与材料的原子碰撞时，电子会偏转并发射 X 射线，这就是所谓的轫致辐射或“制动辐射”。
轫致辐射在使用X射线管产生辐射的传统方法中贡献了大部分发射的X射线。但一个问题是 X 射线没有聚焦，因为它们是向不同方向发射的。目前的方法试图通过过滤X射线来解决这个问题，以便只使用沿所需方向发射的X射线。然而，即使是这些过滤的X射线仍然相当漫射。
由南洋理工大学电气与电子工程学院的南洋助理教授Wong Liang Jie领导的一个国际科学家团队开发了一种通过改变发射电子的传播方式来克服计算机模拟中这些挑战的方法。
其他研究人员来自新加坡科技设计大学、斯坦福大学、以色列理工学院、特拉维夫大学和加州大学洛杉矶分校。
科学家们使用计算机模拟了电子通过特制板的模型，该板也有电流流过它以产生电压。科学家们能够在模拟中证明，电子在通过这种“相位板”后，电子的行进方式发生了变化，这种效应称为电子波形。
发生这种情况是因为根据量子物理学，电子粒子能够像光波一样以波型传播。因此，早期的研究表明，它们在穿过相位板后会相互干扰。板的电压也会导致电子波状运动模式的变化，调整电压也可以调整电子的波模式。
然后模拟成型的电子撞击由石墨烯制成的超薄材料，比一根头发丝薄约1000倍。
由于这些电子的形状，电子的行进路径具有非常高的趋势，与石墨烯中原子的六边形位置相匹配。
这增加了电子与原子碰撞的可能性，模拟表明会因此发射更多的X射线，从而增加产生的辐射强度。
模拟表明，新方法也更节能。使用相同数量的电流发射电子，研究人员的方法产生的X射线比使用X射线管的传统方法产生的X射线强一千倍。辐射的强度也可以通过改变相位板来调整。
根据X射线的用途，它们可以向不同的方向发射，或者用新方法聚焦在一个一般方向上，使未来的X射线生成设备比以前更加可调。这种精细控制是在模拟中通过调整板的电压来改变电子传播方式的模式和路径来实现的。
当电子的波型趋于与整个原子的表面重叠时，产生的X射线更加漫射。调整板的电压以使电子的波型与原子周围的环形层重合，从而在一个大方向上产生X射线。
聚焦的X射线可能是因为电子与原子相互作用的方式发生了变化，这导致了X射线的干扰，破坏了在某些方向上发射的X射线，同时在一个方向上加强了其他X射线。
由于新方法需要更少的能量来产生强烈的X射线，它可以为制造更小的X射线产生设备开辟道路，因为需要的能源功率较小 - 可能会将可能比房子更大的标准机器缩小到可以放在桌子上的机器。
虽然现有的商业仪器可以进行电子波整形，但使用它们来产生高强度和可调谐的X射线是新颖的，因为研究人员过去曾尝试使用电子波整形来改变其他类型的辐射。
这些先前的尝试启发了由黄副教授领导的科学家尝试在计算机模型中进行波形整形X射线，以确定当调整不同参数时结果如何变化。其中一项模拟实验发现，改变电子传播方式的模式可以增加产生的X射线的亮度，这构成了最新研究的基础。
科学家的方法产生的强大X射线的潜在应用包括使用它们来生成半导体芯片的高分辨率X射线图像，以更准确地检测制造芯片中任何难以看到的缺陷。
由于产生的X射线可以被控制为漫射或聚焦，因此新方法可以在进行健康检查的X射线成像方面提供更大的灵活性，例如对整个手或手指关节进行成像，同时使用更少的能量来产生辐射。聚焦和强烈的 X 射线也可能用于更有针对性的放射治疗来治疗癌症。
科学家们现在正计划进行实验以确认他们的模拟结果。
黄副教授说：“电子波形的精度对产生的X射线至关重要。我们相信，随着电子波整形技术的快速发展，我们提出的机制可以完全应用于强效和高度可调的桌面X射线技术。
