团队开发了一种新的方法来产生强大的和聚焦的x射线使用电子波形

(a)没有整形的普通电子在运动时具有均匀的波形。在模拟中，电子与石墨烯中的原子碰撞(红球代表石墨烯原子，蓝条代表它们之间的键;红色圆环代表石墨烯原子的位置)。碰撞后，x射线向宽方向发射。所产生的发散x射线可用于x射线成像，如手，但图像暗淡，质量不是很高。(b)电子通过相位板等整形仪器进行波形处理，形成与石墨烯原子位置(红色圆形环)重叠的规则波形(绿色环)。有了这些特殊形状的电子波，就可以产生更亮、更有方向性的x射线。这些x射线可以用来对身体较小的区域进行高质量成像，比如手指关节。致谢:李伟，王卫理，石希航，Aviv Karnieli, Jeremy Lim, Suraj Kumar, Sergio Carbajo, Ido Kaminer和王梁杰

由新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)领导的科学家们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1000倍。研究结果发表在《光:科学与应用》杂志上。

这为使用强大的x射线精确检测半导体芯片缺陷的超高质量x射线成像铺平了道路。这种新方法还可以在使用更少能量的情况下进行更集中的x射线成像以进行健康筛查。这种新方法是基于计算机模拟，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。但有一个问题:在模拟中，电子运动的波状模式以一种非常特定的方式被“塑造”，因此粒子的运动路径与材料原子的高度结构化位置相匹配并重叠。从理论上讲，这导致x射线的发射强度比正常情况下高得多，而且可以很好地控制，这样它们就可以在许多不同的方向上产生，也可以在一个单一的方向上产生。通常，当被发射的电子与材料的原子碰撞时，电子会发生偏转并发射x射线，这被称为轫致辐射或“制动辐射”。

在使用x射线管产生辐射的传统方法中，轫致辐射贡献了大部分发射的x射线。但有一个问题是，由于x射线从不同的方向发射，所以没有聚焦。目前的方法试图通过过滤x射线来解决这个问题，以便只使用那些在期望方向上发射的x射线。然而，即使这些经过过滤的x射线仍然是相当扩散的。来自新加坡科技与设计大学、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的国际科学家团队，在南洋理工大学电气与电子工程学院助理教授Wong Liang Jie的带领下，通过改变发射电子的传播方式，开发了一种克服这些挑战的方法。

利用计算机，科学家们模拟了电子通过特制板的模型，该板也有电流流过，从而产生电压。科学家们能够在模拟中证明电子在通过这样一个“相位板”后的运动方式发生了变化，这种效应被称为电子波形。根据量子物理学，这是因为电子粒子能够像光波一样以波的形式传播。因此，早期的研究表明，它们在通过相板后会相互干扰。平板的电压也会引起电子波状运动模式的变化，而调整电压也可以改变电子的波状运动模式。然后模拟这些成形的电子撞击一种由石墨烯制成的超薄材料，这种材料比一根头发细1000倍。由于这些电子的形状，电子的运动路径非常倾向于与石墨烯中原子的六边形位置相匹配。

南洋大学助理教授黄亮杰(左)与新加坡南洋大学电气与电子工程学院的研究工程师Wesley Wong用透射电子显微镜。他们是一个研究小组的成员，该小组计划在实验中使用显微镜来证实模拟结果，模拟结果表明，使用改变了波形的电子可以产生高度聚焦和精细控制的x射线。来源:NTU新加坡大学

这增加了电子与原子碰撞的可能性，模拟结果表明，更多的x射线将被发射出来，从而增加了产生的辐射强度。仿真结果表明，该方法具有更高的能效。使用相同的电流来发射电子，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1000倍。也可以通过改变相板来调节辐射强度。