يمكن أن يساعد شعاع الإلكترون فائق السرعة المعتمد على الليزر في استكشاف البيولوجيا الإشعاعية لتأثير FLASH - عالم الفيزياء

<a href="https://platoblockchain.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://platoblockchain.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="فريق البحث من اليسار إلى اليمين: ستيف ماكلين، سيلفان فورمو، فرانسوا فيليون غوردو، ستيفان بايور، سيمون فاليير وفرانسوا ليغاري. (مجاملة: INRS)">

خلال فترة عمله كباحث ما بعد الدكتوراه في المعهد الوطني للبحث العلمي (النسبة المطبعة دوليا) في كندا، سيمون فاليير اقترب منه زميل له وأبدى ملاحظة محيرة. كان الزميل يقوم بإنشاء بلازما في الهواء باستخدام ليزر تمت ترقيته حديثًا في INRS مختبر مصدر ضوء الليزر المتقدم (ALLS). عندما لاحظوا أن القراءات على عداد جيجر الخاص بهم كانت أعلى من المتوقع.

"كان يركز الليزر، الذي كان يعمل بتردد 100 هرتز، في الهواء ويضع عداد جيجر بالقرب من النقطة البؤرية. يقول فاليير، وهو الآن باحث مشارك في INRS: «حتى على بعد ثلاثة أمتار من النقطة البؤرية، كان عداد جيجر الخاص به ينقر». "هذا نطاق بعيد جدًا لتسافر فيه الأشعة السينية أو الإلكترونات. قلت، ربما ينبغي لنا قياس [الجرعة التي يتم تسليمها] باستخدام مقاييس الجرعات التي تمت معايرتها جيدًا.

علماء الفيزياء الطبية من المركز الصحي بجامعة ماكجيل قياس الجرعة الإشعاعية من الإعداد التجريبي بثلاثة أجهزة كشف إشعاع تمت معايرتها بشكل مستقل. تم قياس الجرعات على ثمانية أوامر من حيث الحجم على مسافات تصل إلى 6 أمتار من تركيز الليزر، وكذلك لزوايا مختلفة على مسافات ثابتة. واستخدموا معايرة الجرعة المطلقة لتأكيد البيانات.

تمت ترقية الليزر من μJ- إلى ليزر ذو طاقة متوسطة عالية من فئة mJ. والآن، مع تركيز الليزر بإحكام وضبطه على مجموعة انتهازية من المعلمات لإنشاء بلازما في الهواء، تم إنتاج شعاع إلكتروني يصل إلى 1.4 ميغا إلكترون فولت بمعدل جرعة 0.15 غراي/ثانية. إن النتائج التي توصل إليها الباحثون توسع حدود معرفتنا حول نبضات الليزر عالية الطاقة، والسلامة من الإشعاع، وربما حتى العلاج الإشعاعي FLASH، وهي تقنية ناشئة لعلاج السرطان.

العمل مع المعلمات المثلى

"لقد استبعدت نماذجنا آليات التسريع الأخرى التي كان من الممكن أن تلعب دورًا. يقول فاليير: "لقد قمنا بتضييق نطاق الأمر إلى تفسير واحد: كان هذا التسارع من مجال الليزر الكهربائي، المعروف باسم التسارع الدافع العميق".

كان الباحثون يشغلون الليزر في نظام يؤدي إلى تأين جزيئات الهواء ثم استغلال المجال الكهربائي لليزر لتسريع الإلكترونات الناتجة بما يزيد عن 1 ميغا إلكترون فولت.

"إذا أخبرت علماء فيزياء الليزر أنه يمكنك تركيز الليزر في الهواء وإنتاج إلكترون واحد ميغا إلكترون فولت، فلن يصدقك أحد. وذلك لأنه كلما زادت الطاقة التي تضعها في نبضات الليزر، خلال فترة التركيز، سوف تتراكم التأثيرات غير الخطية التي ستدمر شكل الشعاع، وسوف تتشبع بكثافة. يقول فاليير: "لكن اتضح أننا كنا محظوظين للغاية". "لقد لعب الطول الموجي ومدة النبضة والبعد البؤري دورًا."

يوضح فاليير أن الباحثين كانوا يشغلون الليزر في الجزء الأوسط من الأشعة تحت الحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي. وباستخدام طول موجي أطول من معظم أجهزة الليزر ذات الطاقة المتوسطة العالية (1.8 ميكرومتر بدلاً من حوالي 800 نانومتر)، تم تقليل الانحرافات غير الخطية. يعد هذا الطول الموجي مثاليًا أيضًا لإنشاء بلازما بكثافة قريبة من الحرجة، مما يساهم في الحصول على جرعة عالية لكل نبضة.

استخدم الباحثون أيضًا نبضة ليزر قصيرة (12 fs). وقد أدى ذلك إلى خفض مؤشر الانكسار غير الخطي - وهو معامل يتعلق بالإلكترونات التي تتأرجح في جزيئات الهواء ودوران جزيئات الهواء نفسها - بنحو 75%، مما أدى أيضًا إلى الحد من التأثيرات غير الخطية.

ومن خلال التركيز الدقيق (طول بؤري قصير)، نجح الباحثون مرة أخرى في تقليل التأثيرات غير الخطية بشكل كبير. في نهاية المطاف، وصل الليزر إلى كثافة عالية بما فيه الكفاية (شدة الذروة تصل إلى 10¹⁹ W / سم²) لطرد الإلكترونات بسرعة تصل إلى 1.4 MeV.

فلاش، تطبيقات السلامة من الإشعاع

قدمت شركة Infinite Potential Laboratories LP التمويل للباحثين لدفع البحث والتطوير إلى الأمام وتطوير التقنيات ذات الصلة، وهناك براءة اختراع واحدة على الأقل معلقة.

أحد التطبيقات المثيرة للاهتمام هو تأثير FLASH. بالمقارنة مع تقنيات العلاج الإشعاعي التقليدية، يمكن استخدام العلاج الإشعاعي فلاش لتوصيل جرعات عالية من الإشعاع بسرعة لحماية الأنسجة السليمة حول الورم بشكل أفضل. إن معدلات الجرعة اللحظية لحزم الإلكترون التي ينتجها نظام الباحثين المعتمد على الليزر أعلى بكثير من المسرعات الخطية الطبية، حتى تلك التي يتم تشغيلها في وضع FLASH.

يقول فاليير: "لم تتمكن أي دراسة من شرح الآلية الكامنة وراء تأثير FLASH حتى الآن". "نأمل أن نتمكن من تطوير منصة إشعاع للخلايا أو الفئران لدراسة البيولوجيا الإشعاعية لـ FLASH."

أجهزة فيزياء عالية الطاقة تتكيف مع قياس جرعات الإلكترون

كما تمثل الدروس المتعلقة بالسلامة الإشعاعية أولوية قصوى بالنسبة لفاليير. تنتج أجهزة الليزر ذات الطاقة المتوسطة العالية اليوم أشعة ليزر بكثافة عالية مثل أكبر أجهزة الليزر في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، وبمعدلات تكرار أعلى بكثير - مما يؤدي إلى معدلات جرعات عالية. ويأمل الباحثون أن يؤدي هذا العمل إلى تحسين المعرفة على المستوى الميداني ويؤدي إلى وضع لوائح السلامة الإشعاعية.

"إن طاقات الإلكترون التي لاحظناها تسمح لهم بالسفر لمسافة تزيد عن ثلاثة أمتار في الهواء. يقول فاليير: "لقد كشفنا عن خطر إشعاعي كبير". "لقد قدمت هذا العمل في المؤتمرات، والناس يشعرون بالصدمة... أعني، هذا صحيح، من الذي يحاذي قطع القطع المكافئ للتركيز مع عداد جيجر؟ لقد فعلنا هذا لأنه شيء فعلناه في الماضي. أعتقد أن هذا العمل سوف يفتح أعين الناس أكثر قليلاً، وسيكونون أكثر حذراً عندما يقومون بإنشاء بلازما في الهواء. ونأمل أن نغير لائحة سلامة الليزر من خلال هذا العمل.

تم وصف البحث في مراجعات الليزر والضوئيات.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-based-electron-beam-could-help-explore-radiobiology-of-the-flash-effect/