Une équipe de scientifiques dirigée par l'Université du Nevada, Hiroshi Sawada de Reno, professeur agrégé du Département de physique, ont démontré que la modélisation numérique reproduit avec précision les images radiographiques à l'aide de rayons X produits au laser. Les images ont été obtenues à l'aide du laser Léopard de 50 térawatts basé sur l'amplification d'impulsions chirpées de l'Université dans leur laboratoire Zebra Pulsed Power.

L'approche de modélisation établie dans ce travail pourrait être utilisée comme un outil prédictif pour simuler des images radiographiques d'objets solides 3-D complexes sans effectuer d'expériences basées sur le rayonnement.

Le travail illustre une méthode numérique pour modéliser et prédire des images radiographiques à l'aide d'outils numériques largement disponibles.

Un laser à haute intensité peut produire un faisceau de rayons X intense dans l'interaction laser-cible. De tels rayons X produits au laser ont été appliqués pour enregistrer des images aux rayons X de divers objets, y compris un combustible de fusion laser comprimé, mais un outil numérique pour la comparaison quantitative d'une image radiographique n'était pas disponible jusqu'à présent.

« Un défi pour une simulation réaliste de la radiographie à rayons X produite par laser est son échelle spatiale, " dit Sawada. " De manière générale, la modélisation numérique simule des phénomènes physiques à une échelle spatiale beaucoup plus petite que les expériences réelles. Pour surmonter cette limite, nous avons séparé la modélisation en deux étapes :la génération de rayons X est calculée avec une grille spatiale à fine résolution, tandis que le calcul des images radiographiques à l'aide de la source de rayons X calculée est effectué avec une grille grossière pour reproduire une image radiographique à une échelle expérimentale réelle. Par ailleurs, un modèle 3-D semblable à la conception assistée par ordinateur d'un objet de test nous permet de comparer directement des images expérimentales et simulées."

Les sources de rayons X produites au laser pourraient être une source alternative d'imagerie industrielle non destructive et d'imagerie médicale des tissus mous aux objets en métal lourd, l'équipe de scientifiques a découvert grâce à des expériences d'amplification d'impulsions modulées à l'aide d'un faisceau laser étroitement focalisé et de plusieurs matériaux cibles.

Les travaux financés par la NSF sont publiés dans Plasma Physics and Controlled Fusion. Dans ce document, ils présentent l'analyse comparative expérimentale de la modélisation numérique pour la caractérisation rapide des sources d'électrons et de rayons X ainsi que la radiographie à rayons X à large bande. Le travail montre un accord à la fois qualitatif et quantitatif entre l'expérience et la simulation pour différents filtres d'atténuation des rayons X.

Sawada, un membre du corps professoral du Collège des sciences, et l'étudiant de premier cycle en physique Chris Salinas a commencé à travailler sur le projet de modélisation au printemps 2018.

"Cet ouvrage n'aurait jamais vu le jour sans l'aide des étudiants, " il a dit.

La première partie de la simulation en deux étapes est la base du travail de thèse du diplômé en physique Tyler Daykin, qui permet aux chercheurs de déterminer les caractéristiques des rayons X produits par laser. En outre, Anthony Bass et Brandon Griffin, Diplômés en physique, aidé à obtenir des images radiographiques d'une bougie d'allumage.

"Les mesures d'images de bougies d'allumage n'étaient pas initialement prévues dans notre expérience de deux semaines menée en décembre 2013." dit Sawada. « Lorsque l'expérience a commencé, une livraison de diagnostics de mes collaborateurs a été retardée en raison d'une tempête de neige. Nous n'avions que des cibles métalliques à tirer et des détecteurs d'imagerie à rayons X. Afin de ne pas perdre le temps de faisceau dans le Zebra Pulsed Power Lab, nous avons commencé à photographier les cibles et à prendre des images radiographiques d'outils et de pièces électroniques que nous pouvions trouver dans le laboratoire afin qu'au moins nous puissions obtenir des images radiographiques visuellement attrayantes. Anthony et Brandon ont eu l'idée de radiographier une bougie d'allumage de moto, et il s'est avéré que les images que nous avons obtenues sont claires, contrastes d'intensité distincts. Puis, nous l'avons utilisé pour une étude systématique de la variation de la qualité de l'image en changeant les filtres d'atténuation des rayons X que nous avons trouvé des morceaux de polyéthylène, aluminium et laiton dans un atelier d'usinage."

Depuis l'invention d'une technique d'amplification laser appelée Chirped Pulse Amplification, qui a reçu le prix Nobel de physique 2018, la puissance de crête d'un faisceau laser étroitement focalisé n'a cessé d'augmenter, rendre un tel laser disponible pour une variété d'applications autres que les pointeurs laser ou les affichages d'éclairage laser.

Les rayons X à haute énergie produits par des lasers intenses à impulsions courtes interagissant avec un solide ont été étudiés pour une large gamme d'applications, telles que la science fondamentale du plasma, l'imagerie médicale et les applications industrielles et de sécurité nationale. Les sources de rayons X produites au laser présentent les avantages d'une petite taille de source, courte durée, nombre de photons élevé et spectre de rayons X accordable par rapport à un tube à rayons X bien développé.

« La créativité et le dévouement des professeurs et des étudiants dans le milieu de la recherche universitaire sont ce qui distingue les projets de recherche soutenus par la National Science Foundation, " a déclaré Vyacheslav (Slava) Lukin, Directeur de programme pour la physique des plasmas à la National Science Foundation. "Dans ce projet, Le groupe de recherche du professeur Sawada a avancé le développement de la capacité prédictive pour la radiographie aux rayons X d'une manière qui portera sûrement ses fruits dans la recherche fondamentale et appliquée à l'avenir. »