激光驅動X射線成像的數(shù)值能力新突破
日前，由內(nèi)華達大學雷諾分校物理系副教授Hiroshi Sawada帶領的一組科學家證明，數(shù)值模擬可以用激光產(chǎn)生的x射線精確地再現(xiàn)X射線圖像。這些圖像是研究人員使用基于啁啾脈沖放大技術的50太瓦特激光器獲得的。
該實驗所建立的建模方法可以作為一種預測工具，在不進行基于輻射的實驗的情況下模擬復雜三維實體的射線圖像。該論文發(fā)布在Plasma Physics and Controlled Fusion上，闡明了一種利用廣泛可用的數(shù)值工具對X射線圖像進行建模和預測的數(shù)值方法。
高強度激光在激光－目標相互作用中產(chǎn)生強烈的X射線光束。這種激光產(chǎn)生的X射線已被應用于記錄各種物體的X射線圖像，包括壓縮的激光聚變?nèi)剂希侵钡浆F(xiàn)在還沒有一種用于射線圖像定量比較的數(shù)值工具。
Sawada說：“真實模擬激光產(chǎn)生的x射線攝影所面臨的一大挑戰(zhàn)就是其本身的空間尺度。普遍來說，數(shù)值模擬需要在比實際實驗小得多的空間尺度上模擬物理現(xiàn)象。為了克服這一局限性，我們將模型分為兩個步驟：我們首先利用細分析率空間網(wǎng)格計算X射線的生成，然后利用計算出的X射線源計算X射線圖像，同時用一個粗網(wǎng)格在真實的實驗尺度上再現(xiàn)X射線圖像。”
圖片來源：內(nèi)華達大學雷諾分校
研究人員表示激光產(chǎn)生的X射線源有望成為從軟組織到重金屬物體的無損工業(yè)成像和醫(yī)學成像的替代來源。在論文中，他們提出了快速電子、X射線源表征和寬帶X射線照相數(shù)值模擬的實驗基準。結果表明，對于不同的x射線衰減濾波器，實驗結果與模擬結果在定性和定量上一致。
Sawada是內(nèi)華達大學雷諾分校科學學院的一名教師，他和物理學本科生克里斯·薩利納斯（Chris Salina）在2018年春天開始了建模項目。他說：“如果沒有學生的幫助，這項工作永遠不會發(fā)表。”
這兩步模擬的第一部分是物理學畢業(yè)生泰勒·戴金（Tyler Daykin）論文的基礎，它使研究人員能夠確定激光產(chǎn)生的X射線的特性。此外，物理系畢業(yè)生安東尼·巴斯（Anthony Bass ）和布蘭登·格里芬（Brandon Griffin）還幫助獲得了火花塞的X射線圖像。
“2013年12月，我們進行了為期兩周的實驗，最初并沒有計劃對火花塞圖像進行測量。”Sawada說道。“實驗開始時，由于暴風雪，原計劃同事送來的診斷結果被推遲了。我們只有要照射的金屬目標和X射線成像探測器。為了不浪費在脈沖功率實驗室的發(fā)射時間，我們開始對目標進行照射，并對我們能在實驗室找到的工具和電子部件進行X射線成像，這樣至少我們可以獲得有視覺吸引力的X射線圖像。安東尼和布蘭登想出了一個主意，給一個摩托車火花塞用射線照相，結果我們得到的圖像顯示了清晰明顯的強度對比。然后，我們用它來系統(tǒng)研究X射線衰減過濾器的變化是如何改變圖像質量的。”
自啁啾脈沖放大技術問世以來（該技術于2018年獲得諾貝爾物理學獎），緊聚焦激光束的峰值功率一直在穩(wěn)步增長，使得這種激光器不僅適用于激光指針或激光照明顯示器，還可用于各種應用。
強短脈沖激光器與固體相互作用產(chǎn)生的高能X射線已被廣泛應用于等離子體科學、醫(yī)學成像、工業(yè)和國家安全等領域。與成熟的X射線管相比，激光制造的X射線源具有源尺寸小、持續(xù)時間短、光子數(shù)高和X射線光譜可調的優(yōu)點。
- 上一篇：激光焊接機是高端生產(chǎn)力，那你真的了解它嗎？ 2022/11/29
- 下一篇：一文解析秒懂激光穿孔兩種穿孔模式 2022/10/23
