Un equipo de científicos dirigido por la Universidad de Nevada, Hiroshi Sawada de Reno, profesor asociado del Departamento de Física, demostraron que el modelado numérico reproduce con precisión imágenes de rayos X utilizando rayos X producidos con láser. Las imágenes se obtuvieron utilizando el láser Leopard de 50 Teravatios basado en amplificación de pulso chirrido de la Universidad en su Zebra Pulsed Power Lab.

El enfoque de modelado establecido en este trabajo podría utilizarse como una herramienta predictiva para simular imágenes radiográficas de objetos sólidos complejos en 3-D sin realizar experimentos basados ​​en radiación.

El trabajo ilustra un método numérico para modelar y predecir imágenes de rayos X utilizando herramientas numéricas ampliamente disponibles.

Un láser de alta intensidad puede producir un haz de rayos X intenso en la interacción láser-objetivo. Estos rayos X producidos por láser se han aplicado para grabar imágenes de rayos X de varios objetos, incluido un combustible de fusión láser comprimido, pero hasta ahora no se dispone de una herramienta numérica para la comparación cuantitativa de una imagen radiográfica.

"Un desafío para una simulación realista de radiografía de rayos X producida con láser es su escala espacial, "Dijo Sawada." En términos generales, El modelado numérico simula fenómenos físicos en una escala espacial mucho más pequeña que los experimentos reales. Para superar esta limitación, hemos separado el modelado en dos pasos:la generación de rayos X se calcula con una cuadrícula espacial de resolución fina, mientras que el cálculo de imágenes de rayos X utilizando la fuente de rayos X calculada se realiza con una cuadrícula gruesa para reproducir una imagen de rayos X a una escala experimental real. Es más, un modelo de diseño asistido por computadora en 3D de un objeto de prueba nos permite comparar directamente imágenes experimentales y simuladas ".

Las fuentes de rayos X producidas por láser podrían ser una fuente alternativa de imágenes industriales no destructivas y de imágenes médicas desde tejidos blandos hasta objetos de metales pesados. El equipo de científicos ha descubierto a través de experimentos con amplificación de pulso chirriante utilizando un rayo láser muy enfocado y varios materiales objetivo.

El trabajo financiado por NSF se publica en Plasma Physics and Controlled Fusion. En este papel, presentan una evaluación comparativa experimental de modelos numéricos para la caracterización rápida de fuentes de rayos X y electrones, así como la radiografía de rayos X de banda ancha. El trabajo muestra una concordancia tanto cualitativa como cuantitativa entre el experimento y la simulación para diferentes filtros de atenuación de rayos X.

Sawada, un miembro de la facultad en la Facultad de Ciencias, y el estudiante universitario de física Chris Salinas comenzaron a trabajar en el proyecto de modelado en la primavera de 2018.

"Este trabajo nunca se habría publicado sin la ayuda de los estudiantes, " él dijo.

La primera parte de la simulación de dos pasos es la base del trabajo de tesis del graduado en Física Tyler Daykin, lo que permite a los investigadores determinar las características de los rayos X producidos por láser. Además, Anthony Bass y Brandon Griffin, Licenciados en Física, ayudó a obtener imágenes de rayos X de una bujía.

"Las mediciones de las imágenes de las bujías no se planearon originalmente en nuestro experimento de dos semanas realizado en diciembre de 2013". Dijo Sawada. "Cuando comenzó el experimento, una entrega de diagnósticos de mis colaboradores se retrasó debido a una tormenta de nieve. Todo lo que teníamos eran objetivos de metal para disparar y detectores de imágenes de rayos X. Para no perder el tiempo del rayo en el Zebra Pulsed Power Lab, comenzamos a disparar los objetivos y tomar imágenes de rayos X de herramientas y piezas electrónicas que pudimos encontrar en el laboratorio para que al menos pudiéramos obtener imágenes de rayos X visualmente atractivas. Anthony y Brandon tuvieron la idea de radiografiar una bujía de motocicleta, y resultó que las imágenes que obtuvimos se muestran claras, distintos contrastes de intensidad. Luego, lo usamos para un estudio sistemático de cómo varía la calidad de la imagen al cambiar los filtros de atenuación de rayos X que encontramos piezas de polietileno, aluminio y latón en un taller de máquinas ".

Desde la invención de una técnica de amplificación láser llamada amplificación de pulso chirpado, que fue galardonado con el Premio Nobel de Física 2018, la potencia máxima de un rayo láser bien enfocado ha aumentado constantemente, hacer que dicho láser esté disponible para una variedad de aplicaciones distintas de los punteros láser o pantallas de iluminación láser.

Los rayos X de alta energía producidos por láseres intensos de pulso corto que interactúan con un sólido se han estudiado para una amplia gama de aplicaciones, como la ciencia básica del plasma, imágenes médicas y aplicaciones industriales y de seguridad nacional. Las fuentes de rayos X producidas por láser tienen las ventajas de un tamaño de fuente pequeño, Corta duración, altos números de fotones y espectro de rayos X sintonizable en comparación con un tubo de rayos X bien desarrollado.

"La creatividad y la dedicación de profesores y estudiantes en el entorno de la investigación académica es lo que distingue a los proyectos de investigación apoyados por la National Science Foundation, "dijo Vyacheslav (Slava) Lukin, Director del Programa de Física del Plasma de la National Science Foundation. "En este proyecto, El grupo de investigación del profesor Sawada avanzó en el desarrollo de la capacidad predictiva para la radiografía de rayos X de formas que seguramente pagarán dividendos en la investigación tanto fundamental como aplicada en el futuro ".