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，其强度比 传统方法强一千倍。

这为超高质量 X 射线成像铺平了道路，该成像使用强大的 X 射线准确检测半导体芯片中的缺陷。新方法还可以使用更少的能量进行更集中的 X 射线成像以进行健康筛查。

这种新颖的方法基于计算机模拟，向具有高度有序结构的超薄材料(如石墨烯)发射电子。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，电子行进的波状模式以非常特定的方式“成形”，以便粒子的行进路径与材料原子的高度结构化位置匹配并重叠。

理论上，这会导致 X 射线以比正常情况高得多的强度发射，并且可以精细控制，以便它们在许多不同方向或在单个总体方向上产生。

通常，当发射的电子与材料的原子碰撞时，电子会发生偏转并发射 X 射线，这就是所谓的轫致辐射或“制动辐射”。

在使用 X 射线管产生辐射的传统方法中，轫致辐射造成了大部分发射的 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。当前的方法试图通过过滤 X 射线来解决这个问题，以便仅使用沿所需方向发射的射线。然而，即使这些经过过滤的 X 射线仍然相当分散。

由南洋理工大学电气与电子工程学院南洋助理教授黄良杰领导的国际科学家团队开发了一种方法，通过改变发射电子的传播方式来克服计算机模拟中的这些挑战。

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。

科学家们利用计算机模拟了电子通过特制板的过程，该板也有电流流过以产生电压。科学家们能够在模拟中证明，电子穿过这样的“相位板”后，其行进方式发生了变化，这种效应称为电子波形整形。

根据量子物理学，发生这种情况是因为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。板的电压还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状模式。

然后模拟成形的电子撞击由石墨烯制成的超薄材料，该材料比一根头发丝细约 1,000 倍。

由于这些电子的形状，电子的行进路径非常有可能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，结果会发射更多的 X 射线，从而增加产生的辐射强度。

模拟表明新方法也更加节能。使用相同量的电流发射电子，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 射线的强度高出一千倍。辐射强度也可以通过改变相位板来调整。

根据 X 射线的用途，它们可以通过新方法向不同方向发射或聚焦在一个总体方向上，从而使未来的 X 射线发生设备比以前更具可调性。这种精细控制是在模拟中通过调整板的电压来改变电子行进的模式和路径来实现的。

当电子的波型倾向于与整个原子的表面重叠时，产生的 X 射线更加扩散。调整板的电压，使电子的波形与原子周围的环形层一致，从而在一个大致方向上产生 X 射线。

聚焦X射线的产生可能是因为电子与原子相互作用的方式发生了改变，从而导致X射线的干扰，破坏了某些方向发射的X射线，同时增强了某个方向发射的X射线。

由于新方法需要更少的能量来产生强 X 射线，因此它可以为制造更小的 X 射线发生设备开辟道路，因为需要不太强大的能源 - 可能缩小比房子还大的标准机器可以放在桌子上的一个。

虽然现有的商业仪器可以进行电子波形整形，但使用它们来产生高强度和可调谐 X 射线是新颖的，因为研究人员过去曾尝试使用电子波形整形来改变其他类型的辐射。

之前的这些尝试启发了黄助理教授领导的科学家尝试在计算机模型中对 X 射线进行波形整形，以确定调整不同参数时结果如何变化。其中一项模拟实验发现，改变电子运动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难以看到的缺陷。

由于产生的 X 射线可以控制为扩散或聚焦，因此新方法可以在执行健康筛查 X 射线成像时提供更大的灵活性，例如对整个手或仅手指关节进行成像，同时使用更少的能量产生辐射。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。

科学家们现在计划进行实验来证实他们的模拟结果。

黄助理教授表示：“电子波形整形的精度对于生成 X 射线至关重要。我们相信，随着电子波形整形技术的快速进步，我们提出的机制可以完全应用于高强度和高度可调的台式 X 射线技术。”