日前，由内华达大学雷诺分校物理系副教授Hiroshi Sawada带领的一组科学家证明，数值模拟可以用激光产生的x射线精确地再现X射线图像。这些图像是研究人员使用基于啁啾脉冲放大技术的50太瓦特激光器获得的。

该实验所建立的建模方法可以作为一种预测工具，在不进行基于辐射的实验的情况下模拟复杂三维实体的射线图像。该论文发布在Plasma Physics and Controlled Fusion上，阐明了一种利用广泛可用的数值工具对X射线图像进行建模和预测的数值方法。

高强度激光在激光－目标相互作用中产生强烈的X射线光束。这种激光产生的X射线已被应用于记录各种物体的X射线图像，包括压缩的激光聚变燃料，但是直到现在还没有一种用于射线图像定量比较的数值工具。

Sawada说：“真实模拟激光产生的x射线摄影所面临的一大挑战就是其本身的空间尺度。普遍来说，数值模拟需要在比实际实验小得多的空间尺度上模拟物理现象。为了克服这一局限性，我们将模型分为两个步骤：我们首先利用细分析率空间网格计算X射线的生成，然后利用计算出的X射线源计算X射线图像，同时用一个粗网格在真实的实验尺度上再现X射线图像。”

图片来源：内华达大学雷诺分校

研究人员表示激光产生的X射线源有望成为从软组织到重金属物体的无损工业成像和医学成像的替代来源。在论文中，他们提出了快速电子、X射线源表征和宽带X射线照相数值模拟的实验基准。结果表明，对于不同的x射线衰减滤波器，实验结果与模拟结果在定性和定量上一致。

Sawada是内华达大学雷诺分校科学学院的一名教师，他和物理学本科生克里斯·萨利纳斯（Chris Salina）在2018年春天开始了建模项目。他说：“如果没有学生的帮助，这项工作永远不会发表。”

这两步模拟的第一部分是物理学毕业生泰勒·戴金（Tyler Daykin）论文的基础，它使研究人员能够确定激光产生的X射线的特性。此外，物理系毕业生安东尼·巴斯（Anthony Bass ）和布兰登·格里芬（Brandon Griffin）还帮助获得了火花塞的X射线图像。

“2013年12月，我们进行了为期两周的实验，最初并没有计划对火花塞图像进行测量。”Sawada说道。“实验开始时，由于暴风雪，原计划同事送来的诊断结果被推迟了。我们只有要照射的金属目标和X射线成像探测器。为了不浪费在脉冲功率实验室的发射时间，我们开始对目标进行照射，并对我们能在实验室找到的工具和电子部件进行X射线成像，这样至少我们可以获得有视觉吸引力的X射线图像。安东尼和布兰登想出了一个主意，给一个摩托车火花塞用射线照相，结果我们得到的图像显示了清晰明显的强度对比。然后，我们用它来系统研究X射线衰减过滤器的变化是如何改变图像质量的。”

自啁啾脉冲放大技术问世以来（该技术于2018年获得诺贝尔物理学奖），紧聚焦激光束的峰值功率一直在稳步增长，使得这种激光器不仅适用于激光指针或激光照明显示器，还可用于各种应用。

强短脉冲激光器与固体相互作用产生的高能X射线已被广泛应用于等离子体科学、医学成像、工业和国家安全等领域。与成熟的X射线管相比，激光制造的X射线源具有源尺寸小、持续时间短、光子数高和X射线光谱可调的优点。