Un team di scienziati guidato dall'Università del Nevada, Hiroshi Sawada di Reno, professore associato del Dipartimento di Fisica, hanno dimostrato che la modellazione numerica riproduce accuratamente le immagini a raggi X utilizzando raggi X prodotti dal laser. Le immagini sono state ottenute utilizzando il laser Leopard da 50 Terawatt basato sull'amplificazione dell'impulso cinguettato dell'Università presso il loro Zebra Pulsed Power Lab.

L'approccio di modellazione stabilito in questo lavoro potrebbe essere utilizzato come strumento predittivo per simulare immagini radiografiche di oggetti solidi 3D complessi senza eseguire esperimenti basati sulle radiazioni.

Il lavoro illustra un metodo numerico per modellare e prevedere le immagini a raggi X utilizzando strumenti numerici ampiamente disponibili.

Un laser ad alta intensità può produrre un intenso raggio di raggi X nell'interazione laser-bersaglio. Tali raggi X prodotti dal laser sono stati applicati per la registrazione di immagini a raggi X di vari oggetti tra cui un combustibile di fusione laser compresso, ma fino ad ora non era disponibile uno strumento numerico per il confronto quantitativo di un'immagine radiografica.

"Una sfida per una simulazione realistica della radiografia a raggi X prodotta dal laser è la sua scala spaziale, " Sawada ha detto. "In generale, la modellazione numerica simula i fenomeni fisici in una scala spaziale molto più piccola rispetto agli esperimenti reali. Per superare questo limite, abbiamo separato la modellazione in due fasi:la generazione di raggi X è calcolata con una griglia spaziale a risoluzione fine, mentre il calcolo delle immagini a raggi X utilizzando la sorgente di raggi X calcolata viene eseguito con una griglia grossolana per riprodurre un'immagine a raggi X su una scala sperimentale reale. Per di più, un modello 3-D Computer Aided Design di un oggetto di prova ci consente di confrontare direttamente immagini sperimentali e simulate."

Le sorgenti di raggi X prodotte dal laser potrebbero essere una fonte alternativa di imaging industriale non distruttivo e imaging medico dai tessuti molli agli oggetti di metallo pesante, il team di scienziati ha scoperto attraverso esperimenti con l'amplificazione dell'impulso cinguettante utilizzando un raggio laser strettamente focalizzato e diversi materiali target.

Il lavoro finanziato dalla NSF è pubblicato su Plasma Physics and Controlled Fusion. In questo documento, presentano il benchmarking sperimentale della modellazione numerica per la caratterizzazione di sorgenti veloci di raggi X e di elettroni, nonché la radiografia a raggi X a banda larga. Il lavoro mostra un accordo sia qualitativo che quantitativo tra l'esperimento e la simulazione per diversi filtri di attenuazione dei raggi X.

Sawada, un membro della facoltà del College of Science, e lo studente universitario di fisica Chris Salinas hanno iniziato a lavorare al progetto di modellazione nella primavera del 2018.

"Questo lavoro non sarebbe mai stato pubblicato senza l'aiuto degli studenti, " Egli ha detto.

La prima parte della simulazione in due fasi è una base del lavoro di tesi del laureato in fisica Tyler Daykin, che consente ai ricercatori di determinare le caratteristiche dei raggi X prodotti dal laser. Inoltre, Anthony Bass e Brandon Griffin, laureati in fisica, aiutato a ottenere immagini a raggi X di una candela.

"Le misurazioni delle immagini delle candele non erano originariamente previste nel nostro esperimento di due settimane condotto nel dicembre 2013." ha detto Sawada. "Quando iniziò l'esperimento, una consegna della diagnostica da parte dei miei collaboratori è stata ritardata a causa di una tempesta di neve. Tutto quello che avevamo erano bersagli metallici da sparare e rilevatori di immagini a raggi X. Per non sprecare il tempo del raggio nello Zebra Pulsed Power Lab, abbiamo iniziato a riprendere i bersagli ea prendere immagini a raggi X di strumenti e parti elettroniche che potevamo trovare in laboratorio in modo da poter almeno ottenere immagini a raggi X visivamente accattivanti. Anthony e Brandon hanno avuto l'idea di radiografare una candela di motocicletta, e si è scoperto che le immagini che abbiamo mostrato sono chiare, contrasti di intensità netta. Quindi, l'abbiamo usato per uno studio sistematico di come varia la qualità dell'immagine cambiando i filtri di attenuazione dei raggi X che abbiamo trovato pezzi di polietilene, alluminio e ottone in un'officina meccanica."

Dall'invenzione di una tecnica di amplificazione laser chiamata Chirped Pulse Amplification, che è stato insignito del Premio Nobel 2018 per la Fisica, la potenza di picco di un raggio laser strettamente focalizzato è in costante aumento, rendendo tale laser disponibile per una varietà di applicazioni diverse dai puntatori laser o dai display di illuminazione laser.

I raggi X ad alta energia prodotti da intensi laser a breve impulso che interagiscono con un solido sono stati studiati per un'ampia gamma di applicazioni, come la scienza del plasma di base, imaging medico e applicazioni di sicurezza industriale e nazionale. Le sorgenti di raggi X prodotte dal laser presentano i vantaggi di una piccola dimensione della sorgente, breve durata, elevati numeri di fotoni e spettro radiografico sintonizzabile rispetto a un tubo a raggi X ben sviluppato.

"La creatività e la dedizione di docenti e studenti nell'ambiente di ricerca accademica è ciò che distingue i progetti di ricerca sostenuti dalla National Science Foundation, " disse Vyacheslav (Slava) Lukin, Direttore del programma per la fisica del plasma presso la National Science Foundation. "In questo progetto, Il gruppo di ricerca del professor Sawada ha avanzato lo sviluppo della capacità predittiva per la radiografia a raggi X in modi che sicuramente pagheranno dividendi sia nella ricerca fondamentale che in quella applicata lungo la strada".