Forskere udvikler numerisk evne til laser-drevet røntgenbillede

Et team af forskere ledet af University of Nevada, Renos Hiroshi Sawada, lektor ved fysikafdelingen, demonstreret, at numerisk modellering nøjagtigt gengiver røntgenbilleder ved hjælp af laserproducerede røntgenstråler. Billederne blev opnået ved hjælp af universitetets kvidrede pulsforstærkningsbaserede 50-Terawatt Leopard-laser på deres Zebra Pulsed Power Lab.

Den modelleringsmetode, der blev etableret i dette arbejde, kunne bruges som et forudsigelsesværktøj til at simulere radiografiske billeder af komplekse 3D-faste objekter uden at udføre strålingsbaserede eksperimenter.

Værket illustrerer en numerisk metode til at modellere og forudsige røntgenbilleder ved hjælp af vidt tilgængelige numeriske værktøjer.

En højintensitetslaser kan producere en intens røntgenstråle i laser-mål-interaktionen. Sådanne laserproducerede røntgenstråler er blevet anvendt til optagelse af røntgenbilleder af forskellige objekter, herunder et komprimeret laserfusionsbrændstof, men et numerisk værktøj til kvantitativ sammenligning af et radiografisk billede har ikke været tilgængeligt før nu.

"En udfordring for en realistisk simulering af laserproduceret røntgenradiografi er dens rumlige skala, "Sawada sagde." Generelt set, numerisk modellering simulerer fysikfænomener i meget mindre rumlig skala end egentlige eksperimenter. For at overvinde denne begrænsning, vi har opdelt modellering i to trin:Røntgengenerering beregnes med et rumligt net med fin opløsning, mens beregning af røntgenbilleder ved hjælp af den beregnede røntgenkilde udføres med et groft gitter for at gengive et røntgenbillede i en reel eksperimentel skala. Desuden, en 3D-computerstøttet design-lignende model af et testobjekt giver os mulighed for direkte at sammenligne eksperimentelle og simulerede billeder. "

Laserproducerede røntgenkilder kan være en alternativ kilde til ikke-destruktiv industriel billeddannelse og medicinsk billeddannelse fra blødt væv til tungmetalgenstande, forskerholdet har fundet ud af eksperimenter med kvidret pulsforstærkning ved hjælp af en tæt fokuseret laserstråle og flere målmaterialer.

Det NSF-finansierede arbejde udgives i Plasma Physics and Controlled Fusion. I denne avis, de præsenterer eksperimentel benchmarking af numerisk modellering for hurtig elektron- og røntgenkildekarakterisering samt bredbånds røntgenradiografi. Arbejdet viser både kvalitativ og kvantitativ overensstemmelse mellem eksperimentet og simuleringen for forskellige røntgendæmpningsfiltre.

Sawada, et fakultetsmedlem i College of Science, og fysik bachelorstuderende Chris Salinas begyndte at arbejde på modelleringsprojektet i foråret 2018.

"Dette værk ville aldrig have været udgivet uden hjælp fra studerende, " han sagde.

Den første del af totrinssimuleringen er et grundlag for fysikuddannede Tyler Daykins specialearbejde, som gør det muligt for forskere at bestemme laserproducerede røntgenkarakteristika. Ud over, Anthony Bass og Brandon Griffin, Fysik kandidater, hjalp med at få røntgenbilleder af et tændrør.

"Målinger af tændrørbilleder var oprindeligt ikke planlagt i vores to ugers forsøg, der blev udført i december 2013." Sagde Sawada. "Da eksperimentet begyndte, en levering af diagnostik fra mine samarbejdspartnere blev forsinket på grund af en snestorm. Alt, hvad vi havde, var metalskiver, der skulle skydes, og røntgenbilleddetektorer. For ikke at spilde stråletiden i Zebra Pulsed Power Lab, vi begyndte at skyde målene og tage røntgenbilleder af værktøjer og elektroniske dele, vi kunne finde i laboratoriet, så vi i det mindste kunne få visuelt tiltalende røntgenbilleder. Anthony og Brandon fik en idé om at røntgenbillede et motorcykel tændrør, og det viste sig, at billeder vi fik vist tydelige, tydelige intensitetskontraster. Derefter, vi brugte det til en systematisk undersøgelse af, hvordan billedkvaliteten varierer ved at ændre røntgendæmpningsfiltre, som vi fandt stykker af polyethylen, aluminium og messing i et maskinværksted. "

Siden opfindelsen af ​​en laserforstærkningsteknik kaldet Chirped Pulse Amplification, som blev tildelt Nobelprisen i fysik i 2018, topeffekten af ​​en tæt fokuseret laserstråle har været støt stigende, gør en sådan laser tilgængelig til en række andre anvendelser end laserpegere eller laserbelysning.

Højenergirøntgenstråler produceret af intense kortpulslasere, der interagerer med et fast stof, er blevet undersøgt til en bred vifte af applikationer, såsom grundlæggende plasmavidenskab, medicinsk billeddannelse og industrielle og nationale sikkerhedsapplikationer. Laserproducerede røntgenkilder har fordele ved en lille kildestørrelse, kort varighed, høje fotonantal og afstemningsbart røntgenspektrum sammenlignet med et veludviklet røntgenrør.

"Kreativiteten og dedikationen fra fakulteter og studerende i det akademiske forskningsmiljø er det, der adskiller forskningsprojekter støttet af National Science Foundation, "sagde Vyacheslav (Slava) Lukin, Programdirektør for plasmafysik ved National Science Foundation. "I dette projekt, Professor Sawadas forskningsgruppe avancerede udviklingen af ​​forudsigelsesmuligheder for røntgenstråling på måder, der helt sikkert vil give udbytte i både grundlæggende og anvendt forskning på vejen. "