日前，由內華達大學(xué)雷諾分校物理系副教授Hiroshi Sawada帶領(lǐng)的一組科學(xué)家證明，數值模擬可以用激光產(chǎn)生的x射線(xiàn)精確地再現X射線(xiàn)圖像。這些圖像是研究人員使用基于啁啾脈沖放大技術(shù)的50太瓦特激光器獲得的。

該實(shí)驗所建立的建模方法可以作為一種預測工具，在不進(jìn)行基于輻射的實(shí)驗的情況下模擬復雜三維實(shí)體的射線(xiàn)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值工具對X射線(xiàn)圖像進(jìn)行建模和預測的數值方法。

高強度激光在激光－目標相互作用中產(chǎn)生強烈的X射線(xiàn)光束。這種激光產(chǎn)生的X射線(xiàn)已被應用于記錄各種物體的X射線(xiàn)圖像，包括壓縮的激光聚變燃料，但是直到現在還沒(méi)有一種用于射線(xiàn)圖像定量比較的數值工具。

Sawada說(shuō)：“真實(shí)模擬激光產(chǎn)生的x射線(xiàn)攝影所面臨的一大挑戰就是其本身的空間尺度。普遍來(lái)說(shuō)，數值模擬需要在比實(shí)際實(shí)驗小得多的空間尺度上模擬物理現象。為了克服這一局限性，我們將模型分為兩個(gè)步驟：我們首先利用細分析率空間網(wǎng)格計算X射線(xiàn)的生成，然后利用計算出的X射線(xiàn)源計算X射線(xiàn)圖像，同時(shí)用一個(gè)粗網(wǎng)格在真實(shí)的實(shí)驗尺度上再現X射線(xiàn)圖像?！?

圖片來(lái)源：內華達大學(xué)雷諾分校

研究人員表示激光產(chǎn)生的X射線(xiàn)源有望成為從軟組織到重金屬物體的無(wú)損工業(yè)成像和醫學(xué)成像的替代來(lái)源。在論文中，他們提出了快速電子、X射線(xiàn)源表征和寬帶X射線(xiàn)照相數值模擬的實(shí)驗基準。結果表明，對于不同的x射線(xiàn)衰減濾波器，實(shí)驗結果與模擬結果在定性和定量上一致。

Sawada是內華達大學(xué)雷諾分校科學(xué)學(xué)院的一名教師，他和物理學(xué)本科生克里斯·薩利納斯（Chris Salina）在2018年春天開(kāi)始了建模項目。他說(shuō)：“如果沒(méi)有學(xué)生的幫助，這項工作永遠不會(huì )發(fā)表?！?

這兩步模擬的第一部分是物理學(xué)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(xiàn)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(xiàn)圖像。

“2013年12月，我們進(jìn)行了為期兩周的實(shí)驗，最初并沒(méi)有計劃對火花塞圖像進(jìn)行測量?！盨awada說(shuō)道?！皩?shí)驗開(kāi)始時(shí)，由于暴風(fēng)雪，原計劃同事送來(lái)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(xiàn)成像探測器。為了不浪費在脈沖功率實(shí)驗室的發(fā)射時(shí)間，我們開(kāi)始對目標進(jìn)行照射，并對我們能在實(shí)驗室找到的工具和電子部件進(jìn)行X射線(xiàn)成像，這樣至少我們可以獲得有視覺(jué)吸引力的X射線(xiàn)圖像。安東尼和布蘭登想出了一個(gè)主意，給一個(gè)摩托車(chē)火花塞用射線(xiàn)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(lái)系統研究X射線(xiàn)衰減過(guò)濾器的變化是如何改變圖像質(zhì)量的?！?

自啁啾脈沖放大技術(shù)問(wèn)世以來(lái)（該技術(shù)于2018年獲得諾貝爾物理學(xué)獎），緊聚焦激光束的峰值功率一直在穩步增長(cháng)，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(xiàn)已被廣泛應用于等離子體科學(xué)、醫學(xué)成像、工業(yè)和國家安全等領(lǐng)域。與成熟的X射線(xiàn)管相比，激光制造的X射線(xiàn)源具有源尺寸小、持續時(shí)間短、光子數高和X射線(xiàn)光譜可調的優(yōu)點(diǎn)。