美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)的一個(gè)研究小組實(shí)現(xiàn)了三維X射線成像技術(shù)的新里程碑?？茖W(xué)家們首次利用激光驅(qū)動(dòng)的緊湊型X射線源捕捉到了大型致密物體（燃?xì)廨啓C(jī)葉片）內(nèi)部的高分辨率 CT掃描圖像。這些研究成果發(fā)表在《光學(xué)》雜志上，描述了這種新型射線成像能力背后的科學(xué)和工程技術(shù)，以及它對(duì)從航空航天到增材制造等一系列行業(yè)的潛在好處。

該項(xiàng)目是該校電子與計(jì)算機(jī)工程系和物理系的研究人員與洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室之間長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的合作項(xiàng)目。“這次演示只是一個(gè)開(kāi)始，”該校ECE系助理教授、研究主要作者Reed Hollinger評(píng)論說(shuō)，“我們正在使用CSU制造的ALEPH激光器產(chǎn)生極亮的X射線源，以進(jìn)行高分辨率X射線放射攝影和CT掃描。隨著新設(shè)施的開(kāi)發(fā)，目標(biāo)是將其提升為能產(chǎn)生廣泛影響的設(shè)備。”

團(tuán)隊(duì)的方法提供了一種快速、非破壞性的方式來(lái)獲取密集結(jié)構(gòu)內(nèi)部的詳細(xì)視圖，例如火箭部件和渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，這項(xiàng)新技術(shù)可以大大加強(qiáng)質(zhì)量控制，同時(shí)保持3D打印部件的完整性。

激光驅(qū)動(dòng)成像
目前的工業(yè)CT掃描儀不僅體積龐大、成本高昂，而且所產(chǎn)生的圖像分辨率只有毫米級(jí)。該團(tuán)隊(duì)的激光驅(qū)動(dòng)方法能產(chǎn)生更小的X射線源，在不降低X射線能量的情況下顯著提高分辨率。

來(lái)自洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的James Hunter說(shuō)：小型點(diǎn)MeV X射線源是提高高分辨率MeV X射線成像的最大潛在杠桿。這種方法蘊(yùn)含著豐富的物理學(xué)知識(shí)，它使用一臺(tái)功率為 1021Wcm-2 的帕瓦級(jí)激光器，在空間幾微米的范圍內(nèi)將一束電子加速到幾百萬(wàn)伏。

光束中的電子與目標(biāo)中的重原子碰撞，使其減速并將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為X射線。?這些X射線的能量大大高于醫(yī)院使用的傳統(tǒng)X射線管中的X射線。要穿透研究中所示的渦輪葉片等致密物體，就必須提高X射線的能量。傳統(tǒng)醫(yī)院X射線源的能量只有幾萬(wàn)伏，而新系統(tǒng)的X射線源則有幾百萬(wàn)伏。

每個(gè)X射線脈沖只持續(xù)幾萬(wàn)億分之一秒，因此可以對(duì)以驚人速度運(yùn)動(dòng)的物體進(jìn)行時(shí)間分辨射線攝影。“例如，有朝一日我們可以捕捉到噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)內(nèi)部的高分辨率三維圖像。目前，還沒(méi)有其他X射線源可以做到這一點(diǎn)。”

從研究慣性聚變能量到產(chǎn)生GeV電子和MeV X射線的明亮光束，該團(tuán)隊(duì)的工作是利用高強(qiáng)度激光源實(shí)現(xiàn)廣泛用途的更大愿景的一部分。這是研究人員旨在利用CSU新的先進(jìn)技術(shù)激光應(yīng)用與科學(xué)設(shè)施的擴(kuò)展能力來(lái)提升的眾多技術(shù)之一，該設(shè)施將于2026年底投入使用。