Uma equipe de cientistas liderada pela Universidade de Nevada, Hiroshi Sawada de Reno, um professor associado do Departamento de Física, demonstraram que a modelagem numérica reproduz com precisão imagens de raios-X usando raios-X produzidos a laser. As imagens foram obtidas usando o laser Leopard de 50 Terawatt baseado em amplificação de pulso chirped da Universidade em seu Laboratório Zebra Pulsed Power.

A abordagem de modelagem estabelecida neste trabalho pode ser usada como uma ferramenta preditiva para simular imagens radiográficas de objetos sólidos 3-D complexos sem a realização de experimentos baseados em radiação.

O trabalho ilustra um método numérico para modelar e prever imagens de raios-X usando ferramentas numéricas amplamente disponíveis.

Um laser de alta intensidade pode produzir um feixe de raios-X intenso na interação laser-alvo. Esses raios X produzidos a laser foram aplicados para gravar imagens de raios-X de vários objetos, incluindo um combustível de fusão a laser comprimido, mas uma ferramenta numérica para a comparação quantitativa de uma imagem radiográfica não estava disponível até agora.

"Um desafio para uma simulação realista de radiografia de raios-X produzida a laser é sua escala espacial, "Disse Sawada." De um modo geral, a modelagem numérica simula fenômenos físicos em uma escala espacial muito menor do que os experimentos reais. Para superar essa limitação, separamos a modelagem em duas etapas:a geração de raios-X é calculada com uma grade espacial de resolução fina, enquanto o cálculo de imagens de raios-X usando a fonte de raios-X calculada é realizado com uma grade grosseira para reproduzir uma imagem de raios-X em uma escala experimental real. Além disso, um modelo 3-D semelhante a um projeto auxiliado por computador de um objeto de teste nos permite comparar diretamente imagens experimentais e simuladas. "

Fontes de raios-X produzidas a laser podem ser uma fonte alternativa de imagens industriais não destrutivas e imagens médicas de tecidos moles a objetos de metal pesado, a equipe de cientistas descobriu através de experimentos com amplificação de pulso chirped usando um feixe de laser fortemente focado e vários materiais-alvo.

O trabalho financiado pela NSF foi publicado na Plasma Physics and Controlled Fusion. Nesse artigo, eles apresentam benchmarking experimental de modelagem numérica para caracterização rápida de elétrons e fontes de raios-X, bem como radiografia de raios-X de banda larga. O trabalho mostra concordância qualitativa e quantitativa entre o experimento e a simulação para diferentes filtros de atenuação de raios-X.

Sawada, um membro do corpo docente da Faculdade de Ciências, e o estudante de graduação em física Chris Salinas começou a trabalhar no projeto de modelagem na primavera de 2018.

“Este trabalho nunca teria sido publicado sem a ajuda dos alunos, " ele disse.

A primeira parte da simulação em duas etapas é uma base do trabalho de tese do graduado em Física Tyler Daykin, que permite aos pesquisadores determinar as características dos raios-X produzidos a laser. Além disso, Anthony Bass e Brandon Griffin, Graduados em Física, ajudou a obter imagens de raios-X de uma vela de ignição.

"As medições das imagens das velas de ignição não foram planejadas originalmente em nosso experimento de duas semanas conduzido em dezembro de 2013." Disse Sawada. "Quando o experimento começou, a entrega de diagnósticos de meus colaboradores foi atrasada devido a uma tempestade de neve. Tudo o que tínhamos eram alvos de metal para atirar e detectores de imagem de raio-X. Para não desperdiçar o tempo de feixe no Zebra Pulsed Power Lab, começamos a atirar nos alvos e a tirar imagens de raios-X de ferramentas e peças eletrônicas que poderíamos encontrar no laboratório para que pelo menos pudéssemos obter imagens de raios-X visualmente atraentes. Anthony e Brandon tiveram a ideia de radiografar uma vela de ignição de motocicleta, e as imagens que obtivemos mostraram nítidas, contrastes de intensidade distintos. Então, nós o usamos para um estudo sistemático de como a qualidade da imagem varia, mudando os filtros de atenuação de raios-X que encontramos pedaços de polietileno, alumínio e latão em uma oficina mecânica. "

Desde a invenção de uma técnica de amplificação a laser chamada Amplificação de Pulso Chirped, que recebeu o Prêmio Nobel de Física de 2018, a potência de pico de um feixe de laser fortemente focado tem aumentado constantemente, tornando esse laser disponível para uma variedade de aplicações além de ponteiros de laser ou visores de iluminação a laser.

Os raios-X de alta energia produzidos por lasers intensos de pulso curto interagindo com um sólido foram estudados para uma ampla gama de aplicações, como a ciência básica do plasma, imagens médicas e aplicações de segurança nacional e industrial. Fontes de raios-X produzidas a laser têm vantagens de um tamanho de fonte pequeno, curta duração, alto número de fótons e espectro de raios-X ajustável em comparação com um tubo de raios-X bem desenvolvido.

“A criatividade e a dedicação de professores e alunos no ambiente de pesquisa acadêmica é o que distingue os projetos de pesquisa apoiados pela National Science Foundation, "disse Vyacheslav (Slava) Lukin, Diretor do Programa de Física do Plasma na National Science Foundation. "Neste projeto, O grupo de pesquisa do professor Sawada avançou no desenvolvimento de capacidade preditiva para radiografia de raios-X de maneiras que certamente renderão dividendos tanto na pesquisa fundamental quanto na aplicada no futuro. "