Een team van wetenschappers onder leiding van de Universiteit van Nevada, Hiroshi Sawada van Reno, een universitair hoofddocent van de afdeling Natuurkunde, toonde aan dat numerieke modellering nauwkeurig röntgenfoto's reproduceert met behulp van laser-geproduceerde röntgenstralen. De beelden werden verkregen met behulp van de op chirped pulse amplification gebaseerde 50-Terawatt Leopard-laser van de universiteit in hun Zebra Pulsed Power Lab.

De modelleringsbenadering die in dit werk is vastgesteld, kan worden gebruikt als een voorspellend hulpmiddel om radiografische beelden van complexe 3D-vaste objecten te simuleren zonder op straling gebaseerde experimenten uit te voeren.

Het werk illustreert een numerieke methode om röntgenbeelden te modelleren en te voorspellen met behulp van algemeen beschikbare numerieke hulpmiddelen.

Een laser met hoge intensiteit kan een intense röntgenstraal produceren in de interactie tussen laser en doelwit. Dergelijke door laser geproduceerde röntgenstralen zijn toegepast voor het opnemen van röntgenbeelden van verschillende objecten, waaronder een gecomprimeerde laserfusiebrandstof, maar een numeriek hulpmiddel voor de kwantitatieve vergelijking van een radiografisch beeld was tot nu toe niet beschikbaar.

"Een uitdaging voor een realistische simulatie van laser-geproduceerde röntgenradiografie is de ruimtelijke schaal, " zei Sawada. "Over het algemeen gesproken, numerieke modellering simuleert natuurkundige verschijnselen op een veel kleinere ruimtelijke schaal dan werkelijke experimenten. Om deze beperking te overwinnen, we hebben de modellering opgedeeld in twee stappen:het genereren van röntgenstralen wordt berekend met een ruimtelijk raster met fijne resolutie, terwijl de berekening van röntgenbeelden met behulp van de berekende röntgenbron wordt uitgevoerd met een grof raster om een ​​röntgenbeeld op een echte experimentele schaal te reproduceren. Verder, een 3D Computer Aided Design-achtig model van een testobject stelt ons in staat om experimentele en gesimuleerde beelden direct te vergelijken."

Lasergeproduceerde röntgenbronnen kunnen een alternatieve bron zijn voor niet-destructieve industriële beeldvorming en medische beeldvorming van zachte weefsels tot zware metalen voorwerpen, het team van wetenschappers heeft ontdekt door experimenten met piepende pulsversterking met behulp van een strak gefocuste laserstraal en verschillende doelmaterialen.

Het door NSF gefinancierde werk is gepubliceerd in Plasma Physics and Controlled Fusion. In deze krant, ze presenteren experimentele benchmarking van numerieke modellering voor snelle karakterisering van elektronen en röntgenbronnen, evenals breedband röntgenradiografie. Het werk toont zowel kwalitatieve als kwantitatieve overeenkomst tussen het experiment en de simulatie voor verschillende röntgenverzwakkingsfilters.

Sawada, een lid van de faculteit in het College of Science, en student natuurkunde Chris Salinas begon in het voorjaar van 2018 te werken aan het modelleringsproject.

"Dit werk zou nooit zijn gepubliceerd zonder de hulp van studenten, " hij zei.

Het eerste deel van de tweestapssimulatie is een basis van het afstudeerwerk van Tyler Daykin, afgestudeerd in de natuurkunde, waarmee onderzoekers door laser geproduceerde röntgenkenmerken kunnen bepalen. In aanvulling, Anthony Bass en Brandon Griffin, Afgestudeerden natuurkunde, hielp bij het verkrijgen van röntgenfoto's van een bougie.

"Metingen van bougieafbeeldingen waren oorspronkelijk niet gepland in ons twee weken durende experiment dat in december 2013 werd uitgevoerd." zei Sawada. "Toen het experiment begon, een levering van diagnostiek van mijn medewerkers was vertraagd vanwege een sneeuwstorm. Het enige wat we hadden waren metalen doelen die beschoten moesten worden en röntgendetectoren. Om de straaltijd in het Zebra Pulsed Power Lab niet te verspillen, we begonnen de doelen te fotograferen en röntgenfoto's te maken van gereedschappen en elektronische onderdelen die we in het lab konden vinden, zodat we in ieder geval visueel aantrekkelijke röntgenfoto's konden maken. Anthony en Brandon kwamen op het idee om een ​​bougie van een motorfiets te maken, en het bleek dat de beelden die we kregen duidelijk te zien waren, duidelijke intensiteitscontrasten. Vervolgens, we gebruikten het voor een systematische studie van hoe de beeldkwaliteit varieert door röntgenverzwakkingsfilters te veranderen, we vonden stukjes polyethyleen, aluminium en messing in een machinewerkplaats."

Sinds de uitvinding van een laserversterkingstechniek genaamd Chirped Pulse Amplification, die in 2018 de Nobelprijs voor Natuurkunde ontving, het piekvermogen van een strak gerichte laserstraal is gestaag toegenomen, het beschikbaar maken van een dergelijke laser voor een verscheidenheid aan andere toepassingen dan laserpointers of laserverlichtingsdisplays.

Hoogenergetische röntgenstralen geproduceerd door intense korte-pulslasers die interageren met een vaste stof, zijn bestudeerd voor een breed scala aan toepassingen, zoals elementaire plasmawetenschap, medische beeldvorming en industriële en nationale veiligheidstoepassingen. Lasergeproduceerde röntgenbronnen hebben voordelen van een kleine brongrootte, korte duur, hoge fotonaantallen en afstembaar röntgenspectrum vergeleken met een goed ontwikkelde röntgenbuis.

"De creativiteit en de toewijding van docenten en studenten in de academische onderzoeksomgeving is wat onderzoeksprojecten onderscheidt die worden ondersteund door de National Science Foundation, " zei Vyacheslav (Slava) Lukin, Programmadirecteur voor Plasmafysica bij de National Science Foundation. "In dit project, Professor Sawada's onderzoeksgroep heeft de ontwikkeling van voorspellende capaciteiten voor röntgenradiografie voortgeschreden op een manier die in de toekomst zeker zijn vruchten zal afwerpen in zowel fundamenteel als toegepast onderzoek."