Ultrahurtig laserbaseret elektronstråle kan hjælpe med at udforske radiobiologien af ​​FLASH-effekten – Physics World

Ultrahurtig laserbaseret elektronstråle kan hjælpe med at udforske radiobiologien af ​​FLASH-effekten – Physics World

Tidsstempel: 10. januar 2024 kl. 5

<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="Forskerhold From left to right: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières and François Légaré. (Courtesy: INRS)”> INRS forskerhold
Forskerhold Fra venstre mod højre: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières og François Légaré. (Med høflighed: INRS)

I sin tid som postdoktor ved Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) i Canada, Simon Vallières blev opsøgt af en kollega, der havde gjort en gådefuld observation. Kollegaen var ved at skabe et plasma i luften ved hjælp af en nyligt opgraderet laser hos INRS Laboratoriet for avanceret laserlyskilde (ALLS). da de bemærkede, at aflæsningerne på deres geigertæller var højere end forventet.

"Han fokuserede laseren, som kørte ved 100 Hz, i luften og satte en geigertæller tæt på brændpunktet. Selv tre meter væk fra fokuspunktet klikkede hans geigertæller,” siger Vallières, nu forskningsmedarbejder ved INRS. "Det er ret langt for røntgenstråler eller elektroner at rejse. Jeg sagde, måske skulle vi måle [den dosis, der leveres] med velkalibrerede dosimetre."

Medicinske fysikere fra McGill University Health Center målte stråledosen fra forsøgsopstillingen med tre uafhængigt kalibrerede strålingsdetektorer. Doser blev målt over otte størrelsesordener i afstande op til 6 m fra laserfokus, samt for forskellige vinkler ved faste afstande. De brugte absolutte dosiskalibreringer til at bekræfte dataene.

Laseren var blevet opgraderet fra en µJ- til en mJ-klasse laser med høj gennemsnitlig effekt. Og nu, med laseren tæt fokuseret og indstillet til et opportunistisk sæt af parametre for at skabe et plasma i luften, blev der produceret en elektronstråle, der nåede op til 1.4 MeV ved en dosishastighed på 0.15 Gy/s. Forskernes fund flytter grænserne for vores viden om højeffekt laserimpulser, strålingssikkerhed og måske endda FLASH-strålebehandling, en ny kræftbehandlingsteknik.

Arbejder med optimale parametre

"Vores modeller udelukkede andre accelerationsmekanismer, der kunne have spillet en rolle. Vi indsnævrede det til én forklaring: dette var acceleration fra det elektriske laserfelt, kendt som ponderomotive acceleration,” siger Vallières.

Forskerne opererede laseren i et regime, der ioniserede luftmolekyler og derefter udnyttede laserens elektriske felt til at accelerere de resulterende elektroner over 1 MeV.

"Hvis du fortæller laserfysikere, at du kan fokusere en laser i luften og producere 1 MeV elektroner, vil ingen tro det. Det skyldes, at jo mere energi du lægger i laserimpulser, i løbet af fokusperioden, vil du akkumulere ikke-lineære effekter, som vil ødelægge strålens form, og du vil mættes i intensitet. Men det viser sig, at vi var meget heldige,” siger Vallières. "Bølgelængden, pulsvarigheden og brændvidden spillede alle en rolle."

Vallières forklarer, at forskerne opererede laseren i den mellem-infrarøde del af det elektromagnetiske spektrum. Ved at bruge en længere bølgelængde end de fleste lasere med høj gennemsnitlig effekt (1.8 µm i stedet for omkring 800 nm), blev ikke-lineære aberrationer reduceret. Denne bølgelængde er også ideel til at skabe et plasma med næsten kritisk tæthed, hvilket bidrager til en høj dosis pr. puls.

Forskerne brugte også en kort laserpuls (12 fs). Dette reducerede det ikke-lineære brydningsindeks – en parameter relateret til de elektroner, der oscillerer i luftmolekyler og selve luftmolekylernes rotation – med cirka 75%, hvilket også begrænsede ikke-lineære effekter.

Med stram fokusering (en kort brændvidde) reducerede forskerne igen drastisk ikke-lineære effekter. I sidste ende nåede laseren en høj nok intensitet (spidsintensiteter op til 1019 W / cm2) for at sparke elektroner ud ved op til 1.4 MeV.

FLASH, strålingssikkerhedsapplikationer

Infinite Potential Laboratories LP har givet midler til forskerne til at skubbe R&D frem og udvikle relaterede teknologier, og mindst ét ​​patent er under behandling.

En anvendelse af interesse er FLASH-effekten. Sammenlignet med konventionelle stråleterapiteknikker kan FLASH-strålebehandling bruges til hurtigt at levere høje doser af stråling for bedre at beskytte det sunde væv omkring en tumor. Øjeblikkelige dosishastigheder af elektronbunkerne produceret af forskernes laserbaserede system er størrelsesordener højere end medicinske lineære acceleratorer, selv dem, der drives i FLASH-tilstand.

"Ingen undersøgelse har været i stand til at forklare mekanismen bag FLASH-effekten endnu," siger Vallières. "Vi håber, at vi kan udvikle en celle- eller musestrålingsplatform til at studere radiobiologien af ​​FLASH."

Lektioner i strålingssikkerhed er også en høj prioritet for Vallières. Nutidens lasere med høj gennemsnitlig effekt producerer nu laserstråler med intensiteter lige så høje som de største lasere i begyndelsen af ​​2000'erne og med meget højere gentagelseshastigheder – hvilket fører til høje dosishastigheder. Forskerne håber, at dette arbejde forbedrer viden på feltniveau og fører til regler for strålingssikkerhed.

"De elektronenergier, vi observerede, tillader dem at rejse mere end tre meter i luften. Vi afslørede en stor strålingsfare,” siger Vallières. "Jeg har præsenteret dette arbejde på konferencer, folk er chokerede... Det er sandt, jeg mener, hvem retter en fokuserende parabel med en geigertæller? Vi gjorde dette, fordi det er noget, vi har gjort tidligere. Jeg tror, ​​at [dette arbejde] bare vil åbne folks øjne lidt mere, og de vil være mere forsigtige, når de skaber et plasma i luften. Vi håber at ændre lasersikkerhedsforordningen gennem dette arbejde."

Forskningen er beskrevet i Laser & Photonics anmeldelser.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden