Design Study of a Laser-Driven X-ray Source for Medical Fluorescence Imaging

Abstract

Thomson-Streuung, auch Inverse Compton-Streuung, ist eine Methode zur Erzeugung hoch-brillanter Röntgenstrahlung und basiert auf der Photonenemission von relativistischen Elektronen im Feld eines optischen Lasers. In Kombination mit Laser-Plasma-Beschleunigern lassen sich rein Laser-betriebene Röntgenquellen mit im Vergleich zu konventionellen Beschleunigern geringem räumlichen Ausmaß realisieren. Solche Quellen ermöglichen hochauflösende Bildgebung, zum Beispiel im medizinischen Bereich. Diese Arbeit untersucht solche Thomson-Quellen im Hinblick auf ihre Anwendung in der in vivo Bildgebung mittels Röntgenfluoreszenz von Gold-Nanoteilchen. Die hierfür benötigten Designparameter werden in einer detaillierten Studie ermittelt. Diese wird unter Verwendung von theoretischen Berechnungen, sowie trajektorien-basierten Simulationen der klassischen Abstrahlung der Elektronen durchgeführt. Zum Einen wird die bestehende Theorie angewendet und für den hier betrachteten Spezialfall einer geringen Quellen-Divergenz durch Einschränkung des Öffnungswinkels erweitert. Letzteres ermöglicht eine verbesserte räumliche Auflösung. Für die Optimierung der Anzahl der emittierten Photonen und der Bandbreite ist der Einflus der Elektronenbunch-Parameter ein zentraler Aspekt. Es zeigt sich, dass geringe Bunch-Breiten bei moderaten Divergenzen zu einer Reduktion der Bandbreite bei gleichzeitiger Erhöhung der Anzahl emittierter Photonen führen. Da die Wahl der Elektronenbunch-Parameter durch die Laser-Konfiguration bedingt ist, ist auch eine Untersuchung der Laser-Parameter wichtiger Bestandteil des Optimierungsprozesses. Zum Anderen wird der Einfluss von aktiven Plasma-Linsen zur Elektronenbunch- Fokussierung untersucht. Die chromatische Fokussierung dieser Linsen führt zur Reduktion der effektiven Bandbreite des Elektronenspektrums und damit der Bandbreite des Röntgenspektrums. Des Weiteren bietet sie eine Möglichkeit zur Variation der Quellen-Energie mittels zeitlicher und räumlicher Verschiebung des Laserfokusses relativ zum Fokus des Elektronenbunches. Im Allgemeinen führt die Bandbreitenreduktion der Quelle, sowie der geringe Öffnungswinkel, zu Photonenverlust. Laser mit hoher Repetitionsrate stellen hier eine Möglichkeit der Kompensation dar. Diese Arbeit zeigt, dass die Bandbreite der Röntgenquelle durch Laser- und Elektronen-Optimierung, sowie durch die chromatische Fokussierung kontrollierbar ist. Somit ist der Weg für die Anwendung solcher Quellen in der medizinischen Bildgebung sowie in weiteren Forschungsbereichen geebnet.

Thomson scattering, or inverse Compton scattering, is a technique holding the potential for the generation of X-radiation of high brilliance on the basis of the photon emission by relativistic electrons in optical laser fields. When combined with laser-plasma accelerators, purely laser-driven X-ray sources can be realised on a small scale compared to conventional accelerator-based sources. They therefore offer the prospect of high-resolution imaging, e.g. in the medical sector. In this thesis, the applicability of such a Thomson source for the in vivo detection of gold nanoparticles via X-ray fluorescence imaging is examined. Through a detailed optimisation process, the required design parameters are identified. The design study is performed by means of trajectory-based simulations of the classical radiation, as well as theoretical calculations. On the one hand, the existing theory is applied and extended for the optimisation of the number of emitted photons the and bandwidth at the required energy and for a small observation angle to enable high spatial resolution. One focus is the role of the electron-bunch properties with respect to the resulting energy spectrum. Optimised low bunch widths at moderate divergences lead to a reduction of the X-ray bandwidth with a simultaneous increase of the photon number. As the choice of the electron-bunch parameters is linked to the laser configuration, an investigation of the latter is an important aspect of the optimisation process. On the other hand, the electron-bunch focusing via active plasma lenses is investigated. The chromatic focusing of these lenses leads to a reduction of the effective energy spread of the electron spectrum and thus of the X-ray spectrum. Furthermore, varying the timing and spatial overlap between accordingly focused electron bunches and the Thomson laser is found to be a method for adjusting the source energy. Such bandwidth reduction of the source as well as a small observation angle generally result in photon loss. High repetition-rate lasers represent a means of compensating for this aspect. This thesis demonstrates that the bandwidth of the X-ray source is controllable through laser and electron optimisation, as well as chromatic focusing. This paves the way for the application of such sources in medical imaging and further research fields.