그래핀을 사용하여 전자파 형성을 통해 강력하고 집중된 X선 생성

26년 2024월 XNUMX일

(나노 워크 뉴스) 싱가포르 난양기술대학교(NTU Singapore)가 이끄는 과학자들은 전통적인 방법보다 최대 1000배 더 강한 고도로 집중되고 정밀하게 제어되는 X선을 생성하는 새로운 에너지 효율적인 방법을 개발하고 시뮬레이션했습니다.빛 : 과학 및 응용, “향상된 X선 방사선을 위한 자유전자 결정”). 이는 강력한 X선을 사용하여 반도체 칩의 결함을 정확하게 감지하는 초고품질 X선 이미징의 기반을 마련합니다. 새로운 방법을 사용하면 에너지를 덜 사용하면서 건강 검진을 위해 더 집중된 X선 영상을 촬영할 수 있습니다. 일반 전자 또는 파형 전자의 X선 이미지. (이미지: TranSpread) 이 새로운 방법은 다음과 같이 고도로 정렬된 구조를 가진 초박형 물질에 전자를 쏘는 컴퓨터 시뮬레이션을 기반으로 합니다. 그래 핀. 기본 메커니즘은 X선 튜브를 사용하여 X선을 생성하는 기존 방식과 유사합니다. 그러나 반전이 있습니다. 시뮬레이션에서는 전자가 이동하는 방식에 대한 파동 패턴이 매우 특정한 방식으로 "형성"되어 입자의 이동 경로가 물질 원자의 고도로 구조화된 위치와 일치하고 겹칩니다. 이는 이론적으로 X선이 정상보다 훨씬 더 높은 강도로 방출되는 결과를 낳고, X선이 여러 방향 또는 단일 일반 방향으로 생성되도록 미세하게 제어할 수 있습니다. 일반적으로 발사된 전자가 물질의 원자와 충돌할 때 전자는 편향되어 브레름스트랄룽(bremsstrahlung) 또는 "제동 방사선"이라고 불리는 X선을 방출합니다. Bremsstrahlung은 X선관을 사용하여 방사선을 생성하는 기존 방법에서 방출되는 X선의 대부분에 기여합니다. 하지만 한 가지 문제는 엑스레이가 서로 다른 방향으로 방출되기 때문에 초점이 맞지 않는다는 것입니다. 현재 방법은 원하는 방향으로 방출되는 X선만 사용되도록 X선을 필터링하여 이 문제를 해결하려고 합니다. 그러나 이렇게 필터링된 X선도 여전히 상당히 확산됩니다. NTU 전기전자공학부 난양 조교수 Wong Liang Jie가 이끄는 국제 과학자 팀은 발사된 전자가 이동하는 방식을 변경하여 컴퓨터 시뮬레이션에서 이러한 문제를 극복하는 방법을 개발했습니다. 다른 연구원들은 싱가포르 기술 디자인 대학교, 스탠포드 대학교, Technion – 이스라엘 기술 연구소, 텔아비브 대학교 및 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 출신입니다. 과학자들은 컴퓨터를 사용하여 전압을 생성하기 위해 전류가 흐르는 특수 제작된 판을 통과하는 전자를 모델링했습니다. 과학자들은 시뮬레이션을 통해 전자가 이동하는 방식이 이러한 "위상판"을 통과한 후 변경된다는 것을 보여줄 수 있었는데, 이는 전자 파동 형성이라고 불리는 효과입니다. 이는 양자 물리학에 따르면 전자 입자가 광파와 같은 파동 패턴으로 이동할 수 있기 때문에 발생합니다. 결과적으로 이전 연구에서는 위상판을 통과한 후 서로 간섭할 수 있음이 나타났습니다. 또한 판의 전압은 전자의 파동과 같은 움직임 패턴에 변화를 일으키며, 전압을 조정하면 전자의 파동 패턴도 조정할 수 있습니다. 그런 다음 모양화된 전자가 머리카락보다 약 1,000배 더 얇은 그래핀으로 만들어진 초박형 물질에 충돌하도록 시뮬레이션되었습니다. 이러한 전자의 모양으로 인해 전자의 이동 경로는 그래핀 원자의 육각형 위치와 일치하는 경향이 매우 높습니다. 이로 인해 전자가 원자와 충돌할 확률이 증가했으며, 시뮬레이션 결과 더 많은 X선이 방출되어 생성되는 방사선의 강도가 증가하는 것으로 나타났습니다. 시뮬레이션 결과, 새로운 방법이 에너지 효율성도 더 높은 것으로 나타났습니다. 전자를 발사하기 위해 동일한 양의 전류를 사용하는 연구진의 방법으로 생성된 X선은 X선 튜브를 사용하는 기존 방법으로 생성된 것보다 최대 1000배 더 강력했습니다. 방사선의 강도는 위상판을 변경하여 조정할 수도 있습니다. X선이 사용되는 용도에 따라 X선은 다른 방향으로 방출되거나 새로운 방법을 사용하여 하나의 일반적인 방향으로 집중될 수 있으므로 미래의 X선 생성 장치를 이전보다 더 쉽게 조정할 수 있습니다. 이러한 미세한 제어는 시뮬레이션에서 플레이트의 전압을 조정하여 전자가 이동하는 방식의 패턴과 경로를 변경함으로써 달성되었습니다. 전자의 파동 패턴이 전체 원자 표면과 겹치는 경향이 있을 때 생성되는 X선은 더 많이 확산됩니다. 전자의 파동 패턴이 원자 주변의 고리 모양 층과 일치하도록 판의 전압을 조정하면 X선이 하나의 일반적인 방향으로 생성됩니다. 집중된 X선은 전자가 원자와 상호 작용하는 방식이 변경되어 X선에 의한 간섭이 발생하여 일부 방향으로 방출된 X선을 파괴하고 한 방향의 다른 X선을 강화하기 때문에 생성되었을 가능성이 높습니다. 새로운 방법은 강렬한 X선을 생성하는 데 더 적은 에너지를 필요로 하기 때문에 덜 강력한 에너지원이 필요하기 때문에 더 작은 X선 생성 장치를 만들 수 있는 길을 열 수 있습니다. 테이블에 딱 맞는 것. 전자파성형을 수행할 수 있는 기존 상용 장비가 있지만 이를 사용하여 고강도 및 조정 가능한 X선을 생성하는 것은 과거의 연구자들이 전자파성형을 사용하여 다른 유형의 방사선을 변경하려고 시도한 것처럼 새로운 것입니다. 이러한 이전 시도는 Wong 교수가 이끄는 과학자들에게 컴퓨터 모델에서 X선 파동을 시도하여 다양한 매개변수가 조정될 때 결과가 어떻게 변하는지 확인하도록 영감을 주었습니다. 이러한 시뮬레이션 실험 중 하나에서는 전자가 이동하는 패턴을 변경하면 생성되는 X선의 밝기가 증가할 수 있다는 사실이 발견되었으며 이것이 최신 연구의 기초가 되었습니다. 과학자들의 방법으로 생성된 강력한 X선의 잠재적 응용 분야에는 제조된 칩에서 보기 어려운 결함을 보다 정확하게 감지하기 위해 반도체 칩의 매우 고해상도 X선 이미지를 생성하는 데 사용하는 것이 포함됩니다. 생성된 X-선은 확산되거나 집중되도록 제어할 수 있기 때문에 새로운 방법은 손 전체 또는 손가락 관절의 이미징과 같은 건강 검진을 위한 X-ray 이미징을 수행하는 데 더 많은 유연성을 제공하면서 더 적은 에너지를 사용합니다. 방사선을 생산합니다. 집중적이고 강렬한 X선은 암 치료를 위한 보다 표적화된 방사선 치료에도 사용될 수 있습니다. 과학자들은 이제 시뮬레이션 결과를 확인하기 위해 실험을 수행할 계획입니다. Wong 교수는 이렇게 말했습니다. “전자 파동 형성의 정밀도는 생성된 X선에 매우 중요합니다.