Ultra hiter laserski elektronski žarek bi lahko pomagal pri raziskovanju radiobiologije učinka FLASH – Physics World

V času, ko je bil podoktorski raziskovalec na Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) v Kanadi, Simon Vallières je pristopil kolega, ki je podal begajočo ugotovitev. Kolega je ustvarjal plazmo v zraku s pomočjo na novo nadgrajenega laserja pri INRS Laboratorij za napredne vire laserske svetlobe (ALLS). ko so opazili, da so bili odčitki na njihovem Geigerjevem števcu višji od pričakovanih.

»Laser, ki je deloval pri 100 Hz, je fokusiral v zrak in Geigerjev števec postavil blizu žarišča. Celo tri metre stran od žarišča je njegov Geigerjev števec klikal,« pravi Vallières, zdaj raziskovalni sodelavec pri INRS. »To je precej daleč za potovanje rentgenskih žarkov ali elektronov. Rekel sem, da bi morda morali izmeriti [dostavljeno dozo] z dobro umerjenimi dozimetri.«

Medicinski fiziki iz Zdravstveni center univerze McGill izmeril dozo sevanja iz eksperimentalne postavitve s tremi neodvisno kalibriranimi detektorji sevanja. Doze so bile izmerjene v osmih velikostnih redih na razdaljah do 6 m od žarišča laserja, kot tudi za različne kote na fiksnih razdaljah. Za potrditev podatkov so uporabili kalibracije absolutnega odmerka.

Laser je bil nadgrajen iz µJ- v laser visoke povprečne moči razreda mJ. In zdaj, ko je bil laser natančno osredotočen in nastavljen na oportunistični nabor parametrov za ustvarjanje plazme v zraku, je bil proizveden elektronski žarek, ki je dosegel do 1.4 MeV pri hitrosti odmerka 0.15 Gy/s. Ugotovitev raziskovalcev premika meje našega znanja o visokozmogljivih laserskih impulzih, varnosti pred sevanjem in morda celo radioterapiji FLASH, nastajajoči tehniki zdravljenja raka.

Delovanje z optimalnimi parametri

»Naši modeli so izključili druge mehanizme pospeševanja, ki bi lahko igrali vlogo. Zožili smo ga na eno razlago: to je bil pospešek iz laserskega električnega polja, znan kot ponderomotorni pospešek,« pravi Vallières.

Raziskovalci so delovali z laserjem v režimu, ki je ioniziral molekule zraka in nato izkoristil električno polje laserja za pospeševanje nastalih elektronov nad 1 MeV.

»Če laserskim fizikom rečete, da lahko laser usmerite v zrak in proizvedete elektrone z 1 MeV, vam nihče ne bo verjel. To je zato, ker več energije kot vložite v laserske impulze med obdobjem ostrenja, boste kopičili nelinearne učinke, ki bodo uničili obliko žarka, in nasičili se boste v intenzivnosti. Vendar se je izkazalo, da smo imeli veliko srečo,« pravi Vallières. "Valovna dolžina, trajanje impulza in goriščna razdalja so imeli pomembno vlogo."

Vallières pojasnjuje, da so raziskovalci z laserjem upravljali v srednjem infrardečem delu elektromagnetnega spektra. Z uporabo daljše valovne dolžine kot pri večini laserjev z visoko povprečno močjo (1.8 µm namesto okoli 800 nm) so se nelinearne aberacije zmanjšale. Ta valovna dolžina je idealna tudi za ustvarjanje plazme pri skoraj kritični gostoti, kar prispeva k visoki dozi na impulz.

Raziskovalci so uporabili tudi kratek laserski impulz (12 fs). To je zmanjšalo nelinearni lomni količnik – parameter, povezan z elektroni, ki nihajo v molekulah zraka, in rotacijo samih molekul zraka – za približno 75 %, kar je tudi omejilo nelinearne učinke.

S tesnim ostrenjem (kratka goriščna razdalja) so raziskovalci spet drastično zmanjšali nelinearne učinke. Končno je laser dosegel dovolj visoko intenzivnost (najvišje intenzivnosti do 10¹⁹ Š / cm²), da izžene elektrone do 1.4 MeV.

FLASH, aplikacije za zaščito pred sevanjem

Infinite Potential Laboratories LP je raziskovalcem zagotovil sredstva za spodbujanje raziskav in razvoja ter razvoj sorodnih tehnologij, vsaj en patent pa je v postopku.

Ena izmed zanimivih aplikacij je učinek FLASH. V primerjavi z običajnimi tehnikami radioterapije lahko radioterapijo FLASH uporabimo za hitro dovajanje visokih odmerkov sevanja za boljšo zaščito zdravega tkiva okoli tumorja. Trenutne hitrosti odmerka elektronskih snopov, ki jih proizvaja laserski sistem raziskovalcev, so za rede velikosti višje od medicinskih linearnih pospeševalnikov, tudi tistih, ki delujejo v načinu FLASH.

»Nobena študija še ni uspela pojasniti mehanizma za učinkom FLASH,« pravi Vallières. "Upamo, da bomo lahko razvili platformo za sevanje celic ali miši za preučevanje radiobiologije FLASH."

Naprave za visokoenergijsko fiziko, prilagojene za elektronsko FLASH dozimetrijo

Izkušnje o varnosti pred sevanjem so tudi za Vallières velika prednostna naloga. Današnji laserji z visoko povprečno močjo zdaj proizvajajo laserske žarke z intenzivnostjo, tako visoko kot največji laserji iz zgodnjih 2000-ih, in pri veliko višjih stopnjah ponavljanja – kar vodi do visokih hitrosti odmerjanja. Raziskovalci upajo, da bo to delo izboljšalo znanje na terenu in pripeljalo do predpisov o varnosti pred sevanjem.

»Energije elektronov, ki smo jih opazili, jim omogočajo, da potujejo več kot tri metre po zraku. Razkrili smo veliko nevarnost sevanja,« pravi Vallières. »To delo sem predstavil na konferencah, ljudje so šokirani ... Res je, mislim, kdo poravna fokusno parabolo z Geigerjevim števcem? To smo storili, ker smo to počeli v preteklosti. Mislim, da bo [to delo] ljudem samo nekoliko bolj odprlo oči in bodo bolj previdni, ko bodo ustvarjali plazmo v zraku. Upamo, da bomo s tem delom spremenili predpise o laserski varnosti.«

Raziskava je opisana v Recenzije laserjev in fotonike.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-based-electron-beam-could-help-explore-radiobiology-of-the-flash-effect/