Feixe de elétrons ultrarrápido baseado em laser pode ajudar a explorar a radiobiologia do efeito FLASH – Physics World

Durante seu período como pesquisador de pós-doutorado no Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) no Canadá, Simon Vallières foi abordado por um colega que fez uma observação intrigante. O colega estava criando um plasma no ar usando um laser recém-atualizado no INRS Laboratório Avançado de Fonte de Luz Laser (ALLS) quando notaram que as leituras do contador Geiger estavam acima do esperado.

“Ele estava focalizando o laser, que funcionava a 100 Hz, no ar e colocando um contador Geiger próximo ao ponto focal. Mesmo a três metros de distância do ponto focal, o seu contador Geiger estava a clicar”, diz Vallières, agora investigador associado do INRS. “Esse é um alcance bastante longo para os raios X ou elétrons viajarem. Eu disse, talvez devêssemos medir [a dose administrada] com dosímetros bem calibrados.”

Os físicos médicos do Centro de Saúde da Universidade McGill mediu a dose de radiação da configuração experimental com três detectores de radiação calibrados independentemente. As doses foram medidas em oito ordens de grandeza em distâncias de até 6 m do foco do laser, bem como para diferentes ângulos em distâncias fixas. Eles usaram calibrações de dose absoluta para confirmar os dados.

O laser foi atualizado de um laser de potência média alta da classe µJ para um laser de alta potência média. E agora, com o laser firmemente focado e sintonizado com um conjunto oportunista de parâmetros para criar um plasma no ar, foi produzido um feixe de elétrons atingindo até 1.4 MeV a uma taxa de dose de 0.15 Gy/s. A descoberta dos pesquisadores ultrapassa os limites do nosso conhecimento sobre pulsos de laser de alta potência, segurança da radiação e talvez até radioterapia FLASH, uma técnica emergente de tratamento do câncer.

Operando com parâmetros ideais

“Nossos modelos descartaram outros mecanismos de aceleração que poderiam ter desempenhado um papel. Reduzimos a uma explicação: tratava-se da aceleração do campo elétrico do laser, conhecida como aceleração ponderomotriz”, diz Vallières.

Os pesquisadores operaram o laser em um regime que ionizava moléculas de ar e depois aproveitavam o campo elétrico do laser para acelerar os elétrons resultantes acima de 1 MeV.

“Se você disser aos físicos do laser que é possível focalizar um laser no ar e produzir elétrons de 1 MeV, ninguém acreditará. Isso porque quanto mais energia você colocar nos pulsos de laser, durante o período de focagem, você acumulará efeitos não lineares que destruirão a forma do feixe e saturarão em intensidade. Mas acontece que tivemos muita sorte”, diz Vallières. “O comprimento de onda, a duração do pulso e a distância focal desempenharam um papel.”

Vallières explica que os pesquisadores operaram o laser na parte infravermelha média do espectro eletromagnético. Ao usar um comprimento de onda maior do que a maioria dos lasers de alta potência média (1.8 µm em vez de cerca de 800 nm), as aberrações não lineares foram reduzidas. Este comprimento de onda também é ideal para criar um plasma com densidade quase crítica, contribuindo para uma alta dose por pulso.

Os pesquisadores também usaram um pulso de laser curto (12 fs). Isso reduziu o índice de refração não linear – um parâmetro relacionado aos elétrons que oscilam nas moléculas de ar e à rotação das próprias moléculas de ar – em aproximadamente 75%, o que também limitou os efeitos não lineares.

Com um foco preciso (uma distância focal curta), os pesquisadores reduziram novamente drasticamente os efeitos não lineares. Por fim, o laser atingiu uma intensidade suficientemente alta (intensidades de pico de até 10¹⁹ W / cm²) para expulsar elétrons em até 1.4 MeV.

FLASH, aplicações de segurança contra radiação

O Infinite Potential Laboratories LP forneceu financiamento para os pesquisadores impulsionarem a P&D e desenvolverem tecnologias relacionadas, e pelo menos uma patente está pendente.

Uma aplicação de interesse é o efeito FLASH. Em comparação com as técnicas convencionais de radioterapia, a radioterapia FLASH pode ser usada para administrar rapidamente altas doses de radiação para proteger melhor o tecido saudável ao redor de um tumor. As taxas de dose instantânea dos feixes de elétrons produzidos pelo sistema baseado em laser dos pesquisadores são ordens de magnitude maiores do que os aceleradores lineares médicos, mesmo aqueles acionados no modo FLASH.

“Nenhum estudo foi capaz de explicar o mecanismo por trás do efeito FLASH ainda”, diz Vallières. “Esperamos poder desenvolver uma plataforma de radiação de células ou camundongos para estudar a radiobiologia do FLASH.”

Dispositivos de física de alta energia adaptados para dosimetria eletrônica FLASH

Lições sobre segurança radiológica também são uma alta prioridade para Vallières. Os lasers atuais de alta potência média produzem feixes de laser com intensidades tão altas quanto os maiores lasers do início dos anos 2000 e com taxas de repetição muito mais altas – levando a altas taxas de dose. Os pesquisadores esperam que este trabalho melhore o conhecimento em nível de campo e leve a regulamentações de segurança contra radiação.

“As energias dos elétrons que observamos permitem que eles viajem mais de três metros no ar. Desvendamos um grande risco de radiação”, diz Vallières. “Apresentei este trabalho em conferências, as pessoas ficam chocadas… É verdade, quero dizer, quem alinha uma parábola focal com um contador Geiger? Fizemos isso porque é algo que fizemos no passado. Acho que [este trabalho] vai abrir um pouco mais os olhos das pessoas e elas vão ter mais cuidado ao criar um plasma no ar. Esperamos mudar a regulamentação de segurança do laser através deste trabalho.”

A pesquisa é descrita em Avaliações de laser e fotônica.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-based-electron-beam-could-help-explore-radiobiology-of-the-flash-effect/