Advanced

Development and Characterisation of a Laser-Based Hard X-Ray Source

Tillman, Carl (1996)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

I denna avhandling presenteras en ny typ av röntgenkälla baserad på ett laser-producerat plasma. Röntgenstrålning alstras genom att fokusera laserpulser på ett strålmål. Energin i de enskilda laserpulserna blott är cirka 150 mJ, men tack vare den extremt korta pulstiden 100 fs (10E-13 s), blir laserns toppeffekt mer än 1 TW (10E12 W). Den extremt intensiva laserstrålningen i fokus (>10E17 W/cm2) kan accelerera elektroner till så höga energier att dessa i sin tur kan generera röntgenstrålning med en foton-energi av upp till MeV då elektronerna tränger in i strålmålet.



Konventionella röntgenkällor har sina begränsningar bland annat i källans fysiska storlek och den kortast... (More)
Popular Abstract in Swedish

I denna avhandling presenteras en ny typ av röntgenkälla baserad på ett laser-producerat plasma. Röntgenstrålning alstras genom att fokusera laserpulser på ett strålmål. Energin i de enskilda laserpulserna blott är cirka 150 mJ, men tack vare den extremt korta pulstiden 100 fs (10E-13 s), blir laserns toppeffekt mer än 1 TW (10E12 W). Den extremt intensiva laserstrålningen i fokus (>10E17 W/cm2) kan accelerera elektroner till så höga energier att dessa i sin tur kan generera röntgenstrålning med en foton-energi av upp till MeV då elektronerna tränger in i strålmålet.



Konventionella röntgenkällor har sina begränsningar bland annat i källans fysiska storlek och den kortast möjliga exponeringstiden. Den laser-baserade teknik som beskrivs i denna avhandling ger en förhållandevis liten strålkälla (diameter 30-60 mikrometer) som strålar under extremt korta tidsögonblick, i storleksordning ett par pikosekunder (10E-12 s).



Nyttan av att använda en liten strålkälla vid röntgenavbildningar är den höga bildskärpa man kan åstadkomma. Dessutom kan man göra förstoringsradiografi med hög bildskärpa genom att flytta bilddetektorn bort från det avbildade föremålet. Sådana avbildningar har gjorts med upp till 80 gångers förstoring.



Extremt korta exponeringstider kan åstadkommas genom att exponera bilder med endast en laserpuls. Praktiskt taget all rörelseoskärpa kan därmed elimineras vid röntgenavbildningar.



De mycket korta exponeringstiderna kan också utnyttjas för att minska inverkan av spridd röntgenstrålning som försämrar bildkvalitén. Användningen av en laser-baserad röntgenkälla i kombination med en mycket snabb röntgenkamera, gör att man kan blockera spridd strålning i och med att denna når kameran senare i tiden, på grund av att den har spritts och gått en längre sträcka. Den snabba kameran hinner då stänga sin "slutare" och delvis blockera spridd strålning. Om inverkan av den spridda strålningen kan minskas innebär detta också att mängden röntgenstrålning som behövs vid en röntgenavbildning kan reduceras. Detta är av stort värde eftersom man strävar efter att minimera mängden använd röntgenstrålning inom sjukvården.



Differentiella avbildningar baseras på dubbla exponeringar av ett och samma objekt. Genom att subtrahera eller dividera de erhållna bilderna kan skillnader mellan dem framhävas. Skillnaden kan bestå i rörelse, tillsats av konstrastmedel eller av att olika strålning har använts i de två exponeringarna. Strålningskvalitén från den laser-baserade källan beror av vilka ämnen som ingår i strålmålet. Om man väljer olika strålmål med karakteristiskt strålning vid två energier, en över och en under absorptionskanten för ett valt kontrastmedel, kan man erhålla röntgenbilder som är ämnesselektiva. Vi har visat detta med ett gadoliniumkontrastmedel i kombination med strålmål av gadolinium och tantal.



Flera olika metoder har använts för att mäta röntgenspektran av den utsända strålningen från den laser-baserade röntgenkällan. Kristallspektrometrar och energidispersiva detektorer har gjort det möjligt att identifiera karakteristisk röntgenstrålning från olika strålmål. Andra mätmetoder baserade på CCD kameror och absorptionsfilter har också använts.



Vid fokuseringen av laserpulser på strålmålet kommer material från det senare att sändas ut i en plym på grund av förångning och verkan av chockvågor i strålmålet. Vi har studerat både de utsända partiklarna och strålmålet efter bestrålning.



Den biologiska effekten av röntgenstrålning från konventionella röntgenkällor är välkänd. Däremot är inverkan av extremt kortvariga och intensiva röntgenpulser ännu inte helt kartlagd. Vi har undersökt den relativa överlevnaden hos cellkulturer som bestrålats med laser-genererad röntgenstrålning. En viss skillnad har observerats jämfört med bestrålningar från konventionella röntgenrör, även om denna avvikelse ligger inom den experimentella felmarginalen. (Less)
Abstract
A laser-produced plasma was generated by focusing 100 fs laser pulses, with an energy of 150 mJ, onto metal targets. The laser intensity was expected to reach 10E17 W/cm2. Radiation was emitted from the created plasma, with photon energies extending up to the MeV regime. The laser-based X-ray source was optimised, with the purpose of making it a realistic source of hard X-rays (>10 keV). Dedicated equipment was developed for efficient generation and utilisation of the hard X-rays.



The X-ray source was characterised with respect to its spatial extent and the X-ray yield. Measurements were made of the spectral distribution, by the use of single-photon-counting detectors in different geometries, crystal spectro-meters... (More)
A laser-produced plasma was generated by focusing 100 fs laser pulses, with an energy of 150 mJ, onto metal targets. The laser intensity was expected to reach 10E17 W/cm2. Radiation was emitted from the created plasma, with photon energies extending up to the MeV regime. The laser-based X-ray source was optimised, with the purpose of making it a realistic source of hard X-rays (>10 keV). Dedicated equipment was developed for efficient generation and utilisation of the hard X-rays.



The X-ray source was characterised with respect to its spatial extent and the X-ray yield. Measurements were made of the spectral distribution, by the use of single-photon-counting detectors in different geometries, crystal spectro-meters and dose measurements in combination with absorption filters. Ablation of the target material in the laser-produced plasma was investigated.



Imaging applications have been demonstrated, including ultrafast (picosecond) X-ray imaging, magnification imaging of up to x80, differential imaging in the spectral domain, and imaging of various biological and technical objects.



The biological response of ultra-intense X-ray pulses was assessed in cell-culture exposures. The results indicate that the biological response from ultra-intense X-ray exposures is similar to the response from exposures with conventional X-ray tubes. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Prof. Mysyrowicz, André, Laboratoire d'Optique Appliquée, ENSTA-Centre de l'Yvette, F-91125 Palaiseau Cedex, France
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
laser-produced plasma, X-ray source, laser, X-ray spectroscopy, dosimetry, radiography, medical imaging, radiation effects, differential imaging, Fysicumarkivet A:1996:Tillman, Atom- och molekylärfysik, Atomic and molecular physics
pages
186 pages
publisher
Department of Physics, Lund University
defense location
Hörsal B, Fysicum, Lund
defense date
1996-12-19 13:15
external identifiers
  • Other:LUTFD2/(TFAF-1031)/1-81/(1996)
ISBN
91-628-2234-9
language
English
LU publication?
no
id
1a28c4f1-36c0-4b70-a01f-13db6e5a40e7 (old id 28874)
date added to LUP
2007-06-14 11:06:20
date last changed
2016-09-19 08:45:11
@misc{1a28c4f1-36c0-4b70-a01f-13db6e5a40e7,
  abstract     = {A laser-produced plasma was generated by focusing 100 fs laser pulses, with an energy of 150 mJ, onto metal targets. The laser intensity was expected to reach 10E17 W/cm2. Radiation was emitted from the created plasma, with photon energies extending up to the MeV regime. The laser-based X-ray source was optimised, with the purpose of making it a realistic source of hard X-rays (&gt;10 keV). Dedicated equipment was developed for efficient generation and utilisation of the hard X-rays.<br/><br>
<br/><br>
The X-ray source was characterised with respect to its spatial extent and the X-ray yield. Measurements were made of the spectral distribution, by the use of single-photon-counting detectors in different geometries, crystal spectro-meters and dose measurements in combination with absorption filters. Ablation of the target material in the laser-produced plasma was investigated.<br/><br>
<br/><br>
Imaging applications have been demonstrated, including ultrafast (picosecond) X-ray imaging, magnification imaging of up to x80, differential imaging in the spectral domain, and imaging of various biological and technical objects.<br/><br>
<br/><br>
The biological response of ultra-intense X-ray pulses was assessed in cell-culture exposures. The results indicate that the biological response from ultra-intense X-ray exposures is similar to the response from exposures with conventional X-ray tubes.},
  author       = {Tillman, Carl},
  isbn         = {91-628-2234-9},
  keyword      = {laser-produced plasma,X-ray source,laser,X-ray spectroscopy,dosimetry,radiography,medical imaging,radiation effects,differential imaging,Fysicumarkivet A:1996:Tillman,Atom- och molekylärfysik,Atomic and molecular physics},
  language     = {eng},
  pages        = {186},
  publisher    = {ARRAY(0x91e0850)},
  title        = {Development and Characterisation of a Laser-Based Hard X-Ray Source},
  year         = {1996},
}