Ultraszybka laserowa wiązka elektronów może pomóc w badaniu radiobiologii efektu FLASH – Physics World

<a href="https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/ultrafast-laser-based-electron-beam-could-help-explore-radiobiology-of-the-flash-effect-physics-world-2.jpg" data-fancybox data-src="https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/ultrafast-laser-based-electron-beam-could-help-explore-radiobiology-of-the-flash-effect-physics-world-2.jpg" data-caption="Zespół badawczy From left to right: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières and François Légaré. (Courtesy: INRS)”>

W czasie stażu podoktorskiego w Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) w Kanadzie, Simona Vallièresa podszedł do niego kolega, który poczynił zagadkową obserwację. Kolega tworzył plazmę w powietrzu przy użyciu nowo ulepszonego lasera w INRS Laboratorium Zaawansowanych Laserowych Źródeł Światła (ALLS). kiedy zauważyli, że odczyty na ich liczniku Geigera były wyższe niż oczekiwano.

„Koncentrował laser pracujący z częstotliwością 100 Hz w powietrzu i umieszczał licznik Geigera blisko ogniska. Nawet trzy metry od ogniska jego licznik Geigera tykał” – mówi Vallières, obecnie pracownik naukowy w INRS. „To dość duży zasięg, jaki mogą pokonać promienie rentgenowskie i elektrony. Powiedziałem, że może powinniśmy mierzyć [dostarczaną dawkę] za pomocą dobrze skalibrowanych dozymetrów.

Fizycy medyczni z Centrum Zdrowia Uniwersytetu McGill zmierzyli dawkę promieniowania z układu eksperymentalnego za pomocą trzech niezależnie skalibrowanych detektorów promieniowania. Dawki mierzono w zakresie ośmiu rzędów wielkości w odległościach do 6 m od ogniska lasera, a także pod różnymi kątami w stałych odległościach. Aby potwierdzić dane, wykorzystali kalibrację dawki bezwzględnej.

Laser został zmodernizowany z lasera o wysokiej średniej mocy klasy µJ do klasy mJ. Teraz, gdy laser był ściśle skupiony i dostrojony do oportunistycznego zestawu parametrów w celu wytworzenia plazmy w powietrzu, wytworzono wiązkę elektronów o energii dochodzącej do 1.4 MeV przy dawce 0.15 Gy/s. Odkrycie badaczy przesuwa granice naszej wiedzy na temat impulsów laserowych o dużej mocy, bezpieczeństwa promieniowania, a może nawet radioterapii FLASH, nowej techniki leczenia raka.

Praca z optymalnymi parametrami

„Nasze modele wykluczyły inne mechanizmy przyspieszania, które mogły odegrać pewną rolę. Zawęziliśmy to do jednego wyjaśnienia: było to przyspieszenie wywołane laserowym polem elektrycznym, zwane przyspieszeniem ponderomotorycznym” – mówi Vallières.

Naukowcy używali lasera w trybie, który jonizował cząsteczki powietrza, a następnie wykorzystywał pole elektryczne lasera do przyspieszania powstałych elektronów powyżej 1 MeV.

„Jeśli powiesz fizykom zajmującym się laserami, że można skupić laser w powietrzu i wytworzyć elektrony o energii 1 MeV, nikt w to nie uwierzy. Dzieje się tak dlatego, że im więcej energii włożysz w impulsy lasera, w okresie ogniskowania, kumulują się efekty nieliniowe, które zniszczą kształt wiązki, i osiągniesz nasycenie intensywnością. Okazuje się jednak, że mieliśmy dużo szczęścia” – mówi Vallières. „Długość fali, czas trwania impulsu i długość ogniskowej odegrały pewną rolę”.

Vallières wyjaśnia, że ​​badacze używali lasera w zakresie średniej podczerwieni widma elektromagnetycznego. Dzięki zastosowaniu dłuższej fali niż większość laserów o dużej średniej mocy (1.8 µm zamiast około 800 nm) zmniejszono aberracje nieliniowe. Ta długość fali jest również idealna do tworzenia plazmy o gęstości bliskiej krytycznej, przyczyniając się do uzyskania dużej dawki na impuls.

Naukowcy wykorzystali także krótki impuls laserowy (12 fs). Zmniejszyło to nieliniowy współczynnik załamania światła – parametr związany z elektronami oscylującymi w cząsteczkach powietrza i rotacją samych cząsteczek powietrza – o około 75%, co również ograniczyło efekty nieliniowe.

Dzięki ścisłemu ogniskowaniu (krótka ogniskowa) badacze ponownie drastycznie zredukowali efekty nieliniowe. Ostatecznie laser osiągnął wystarczająco wysoką intensywność (intensywność szczytowa do 10¹⁹ W / cm²), aby wyrzucić elektrony przy napięciu do 1.4 MeV.

FLASH, zastosowania związane z bezpieczeństwem radiacyjnym

Firma Infinite Potential Laboratories LP zapewniła badaczom fundusze na rozwój badań i rozwoju oraz rozwój powiązanych technologii, a co najmniej jeden patent jest w toku.

Jednym z interesujących zastosowań jest efekt FLASH. W porównaniu z konwencjonalnymi technikami radioterapii, radioterapię FLASH można szybko dostarczyć duże dawki promieniowania, aby lepiej chronić zdrową tkankę wokół guza. Chwilowe dawki wiązek elektronów wytwarzanych przez system laserowy badaczy są o rząd wielkości wyższe niż w medycznych akceleratorach liniowych, nawet tych napędzanych w trybie FLASH.

„Żadne badanie nie było jeszcze w stanie wyjaśnić mechanizmu efektu FLASH” – mówi Vallières. „Mamy nadzieję, że uda nam się opracować platformę promieniowania komórkowego lub myszy do badania radiobiologii FLASH”.

Urządzenia do fizyki wysokich energii przystosowane do dozymetrii elektronowej FLASH

Lekcje w zakresie bezpieczeństwa radiologicznego są również dla Vallières wysokim priorytetem. Dzisiejsze lasery o dużej średniej mocy wytwarzają obecnie wiązki laserowe o intensywności tak dużej jak największe lasery z początku XXI wieku i przy znacznie większej częstotliwości powtarzania, co prowadzi do wysokich dawek. Naukowcy mają nadzieję, że prace te poszerzą wiedzę w terenie i doprowadzą do opracowania przepisów dotyczących bezpieczeństwa radiologicznego.

„Zaobserwowane przez nas energie elektronów pozwalają im podróżować w powietrzu na odległość ponad trzech metrów. Odkryliśmy duże zagrożenie radiacyjne” – mówi Vallières. „Prezentowałem tę pracę na konferencjach, ludzie są zszokowani… To prawda, kto ustawia parabolę skupiającą z licznikiem Geigera? Zrobiliśmy to, ponieważ robiliśmy to w przeszłości. Myślę, że [ta praca] po prostu trochę bardziej otworzy ludziom oczy i będą bardziej ostrożni podczas tworzenia plazmy w powietrzu. Mamy nadzieję, że dzięki tym pracom zmienimy przepisy dotyczące bezpieczeństwa lasera”.

Badania opisano w Recenzje lasera i fotoniki.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-based-electron-beam-could-help-explore-radiobiology-of-the-flash-effect/