Ett team av forskare under ledning av University of Nevada, Renos Hiroshi Sawada, docent vid fysikavdelningen, visat att numerisk modellering exakt återger röntgenbilder med laserproducerade röntgenstrålar. Bilderna erhölls med hjälp av universitetets kvittrade pulsförstärkningsbaserade 50-Terawatt Leopard-laser på deras Zebra Pulsed Power Lab.

Modelleringsmetoden som fastställts i detta arbete kan användas som ett förutsägande verktyg för att simulera radiografiska bilder av komplexa 3D-fasta föremål utan att utföra strålningsbaserade experiment.

Arbetet illustrerar en numerisk metod för att modellera och förutsäga röntgenbilder med hjälp av allmänt tillgängliga numeriska verktyg.

En högintensitetslaser kan producera en intensiv röntgenstråle i laser-målinteraktionen. Sådana laserproducerade röntgenstrålar har applicerats för inspelning av röntgenbilder av olika föremål inklusive ett komprimerat laserfusionsbränsle, men ett numeriskt verktyg för kvantitativ jämförelse av en radiografisk bild har inte varit tillgängligt förrän nu.

"En utmaning för en realistisk simulering av laserproducerad röntgenradiografi är dess rumsliga skala, "Sawada sa." Generellt sett, numerisk modellering simulerar fysikfenomen i mycket mindre rumslig skala än verkliga experiment. För att övervinna denna begränsning, vi har separerat modellering i två steg:Röntgengenerering beräknas med ett rumsligt nät med fin upplösning, medan beräkning av röntgenbilder med hjälp av den beräknade röntgenkällan utförs med ett grovt rutnät för att återge en röntgenbild i en verklig experimentell skala. Vidare, en 3D-datorstödd designliknande modell av ett testobjekt tillåter oss att direkt jämföra experimentella och simulerade bilder. "

Laserproducerade röntgenkällor kan vara en alternativ källa för icke-destruktiv industriell avbildning och medicinsk avbildning från mjukvävnad till tungmetallföremål, forskargruppen har funnit genom experiment med kvittrande pulsförstärkning med hjälp av en tätt fokuserad laserstråle och flera målmaterial.

Det NSF-finansierade arbetet publiceras i Plasma Physics and Controlled Fusion. I det här pappret, de presenterar experimentell benchmarking av numerisk modellering för snabb elektron- och röntgenkällkarakterisering samt bredbandsröntgenstrålning. Arbetet visar både kvalitativ och kvantitativ överensstämmelse mellan experimentet och simuleringen för olika röntgendämpningsfilter.

Sawada, en fakultetsmedlem i College of Science, och fysikstudenten Chris Salinas började arbeta med modellprojektet våren 2018.

"Detta arbete hade aldrig publicerats utan hjälp av studenter, " han sa.

Den första delen av tvåstegssimuleringen är en grund för fysikutexaminerade Tyler Daykins avhandlingsarbete, vilket gör det möjligt för forskare att bestämma laserproducerade röntgenegenskaper. Dessutom, Anthony Bass och Brandon Griffin, Utexaminerade fysiker, hjälpte till att få röntgenbilder av ett tändstift.

"Mätningar av tändstiftbilder var ursprungligen inte planerade i vårt två veckors experiment som genomfördes i december 2013." Sa Sawada. "När experimentet började, en leverans av diagnostik från mina medarbetare försenades på grund av en snöstorm. Allt vi hade var metallmål som skulle skjutas och röntgenavbildningsdetektorer. För att inte slösa stråltid i Zebra Pulsed Power Lab, vi började skjuta målen och ta röntgenbilder av verktyg och elektroniska delar som vi kunde hitta i labbet så att vi åtminstone kunde få visuellt tilltalande röntgenbilder. Anthony och Brandon fick en idé om att röntgenbilda ett motorcykeltändstift, och det visade sig att bilder vi fick visa tydliga, tydliga intensitetskontraster. Sedan, vi använde den för en systematisk studie av hur bildkvaliteten varierar genom att byta röntgendämpningsfilter som vi hittade bitar av polyeten, aluminium och mässing i en maskinverkstad. "

Sedan uppfinningen av en laserförstärkningsteknik som kallas Chirped Pulse Amplification, som fick Nobelpriset i fysik 2018, toppeffekten för en tätt fokuserad laserstråle har stadigt ökat, göra en sådan laser tillgänglig för en mängd andra tillämpningar än laserpekare eller laserbelysning.

Röntgenstrålar med hög energi som produceras av intensiva kortpulslasrar som interagerar med ett fast ämne har studerats för ett brett spektrum av applikationer, såsom grundläggande plasmavetenskap, medicinsk bildbehandling och industriella och nationella säkerhetsapplikationer. Laserproducerade röntgenkällor har fördelar med en liten källstorlek, kort varaktighet, höga fotonantal och avstämbart röntgenspektrum jämfört med ett väl utvecklat röntgenrör.

"Kreativiteten och engagemanget för lärare och studenter i den akademiska forskningsmiljön är det som utmärker forskningsprojekt som stöds av National Science Foundation, "sa Vyacheslav (Slava) Lukin, Programdirektör för plasmafysik vid National Science Foundation. "I detta projekt, Professor Sawadas forskargrupp avancerade utvecklingen av förutsägbar förmåga för röntgenradiografi på sätt som säkert kommer att ge utdelning i både grundläggande och tillämpad forskning på vägen. "