Desde la década de 1960, los científicos que estudian los rayos X, los rayos y fenómenos similares han hecho una observación interesante: en experimentos de laboratorio que simulan estos fenómenos, los electrones de alta velocidad entre dos electrodos de mayor energía que el voltaje aplicado pueden ser Según los investigadores de Penn State, esto contradice la suposición física de que la energía del electrón debe ser proporcional al voltaje aplicado. A pesar de décadas de conciencia de esta aparente contradicción, los investigadores no han podido descubrir por qué sucede esto.
Recientemente, un equipo de investigadores de Penn State utilizó modelos matemáticos para explicar los mecanismos subyacentes en juego. Han publicado sus hallazgos. cartas de examen fisico.
“En estos experimentos de laboratorio, se aplica un voltaje entre dos electrodos, que son conductores eléctricos. Luego, los electrones, que son partículas cargadas negativamente, son acelerados a través de un vacío, que es un gas. O podría ser un vacío”, dijo Víctor Pascoe, profesor de ingeniería eléctrica. Autor correspondiente de ingeniería y estudios en Penn State. “La energía que pueden ganar los electrones debería ser proporcional al voltaje aplicado, pero en todos estos experimentos, las energías excedían ese voltaje en un factor de dos o tres, lo cual era un misterio”.
Mediante modelos matemáticos, Pascoe y su equipo demostraron que un proceso de retroalimentación de energía es responsable de este fenómeno.
Según Pascoe, cuando los electrones interactúan con el material del electrodo, emiten rayos X, que están formados por fotones, las partículas sin masa y sin carga que forman la luz. Algunos de estos fotones se propagan hacia atrás, liberando más electrones del otro electrodo. Un pequeño grupo de estos electrones tiene una energía correspondiente a la energía original. Luego se aceleran nuevamente y este proceso continúa durante varios ciclos. Pascoe y su equipo modelaron este proceso de muy alta energía.
Pascoe dijo que su modelo también ayudó a explicar por qué electrodos de diferentes formas y materiales producían este efecto en diferentes grados.
“Vemos que obtenemos el mayor efecto cuando tenemos electrodos planos y el menor efecto cuando los electrodos tienen forma de aguja”, dijo Pascoe. “Esto tiene sentido, porque las grandes superficies de los electrodos planos favorecen la interacción entre electrones y fotones y la forma en que rebotan hacia adelante y hacia atrás. Cuando se reduce la superficie, el efecto se reduce”.
Los investigadores también examinaron mediante simulación y modelización cómo surge este fenómeno con diferentes materiales.
“El tungsteno es el material estándar utilizado para fabricar rayos X y sabemos que es un buen material para eso”, dijo Pascoe. “Nuestro estudio analizó muchos materiales aditivos y, utilizando nuestro modelo, pudimos resumir las propiedades de los materiales que conducen a efectos máximos”.
Los investigadores dijeron que sus hallazgos podrían ser útiles para el desarrollo de nuevos métodos de producción de rayos X en el futuro. En particular, dijo, el trabajo podría estimular nuevas investigaciones sobre la producción de electrones energéticos a partir de materiales sólidos, lo que podría hacer que las máquinas de rayos X sean más rápidas, livianas y compactas.
Sébastien Celestin, Universidad de Orleans, Francia, y Anne Bourdon, CNRS y Ecole Polytechnique, Francia, fueron coautores del artículo. Esta investigación fue apoyada parcialmente por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.
