Η εξαιρετικά γρήγορη δέσμη ηλεκτρονίων που βασίζεται σε λέιζερ θα μπορούσε να βοηθήσει στη διερεύνηση της ραδιοβιολογίας του φαινομένου FLASH - Physics World

<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="Ερευνητική ομάδα From left to right: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières and François Légaré. (Courtesy: INRS)”>

Κατά τη διάρκεια της θητείας του ως μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Εθνικό Ινστιτούτο Επιστημονικής Επιστήμης (Institut National de la Recherche ScientifiqueINRS) στον Καναδά, Σιμόν Βαλιέρες πλησίασε ένας συνάδελφος που είχε κάνει μια αινιγματική παρατήρηση. Ο συνάδελφος δημιουργούσε ένα πλάσμα στον αέρα χρησιμοποιώντας ένα πρόσφατα αναβαθμισμένο λέιζερ στο INRS Εργαστήριο προηγμένης πηγής φωτός λέιζερ (ALLS). όταν παρατήρησαν ότι οι ενδείξεις στον μετρητή Geiger τους ήταν υψηλότερες από τις αναμενόμενες.

«Εστίαζε το λέιζερ, το οποίο έτρεχε στα 100 Hz, στον αέρα και έβαζε έναν μετρητή Geiger κοντά στο εστιακό σημείο. Ακόμη και τρία μέτρα μακριά από το εστιακό σημείο, ο μετρητής του Geiger χτυπούσε», λέει ο Vallières, τώρα επιστημονικός συνεργάτης στο INRS. «Αυτό είναι πολύ μακριά για να ταξιδέψουν οι ακτίνες Χ ή τα ηλεκτρόνια. Είπα, ίσως θα έπρεπε να μετρήσουμε [τη δόση που χορηγείται] με καλά βαθμονομημένα δοσίμετρα».

Ιατρικοί φυσικοί από το Κέντρο Υγείας του Πανεπιστημίου McGill μέτρησε τη δόση ακτινοβολίας από την πειραματική διάταξη με τρεις ανεξάρτητα βαθμονομημένους ανιχνευτές ακτινοβολίας. Οι δόσεις μετρήθηκαν σε οκτώ τάξεις μεγέθους σε αποστάσεις έως και 6 m από την εστία του λέιζερ, καθώς και για διαφορετικές γωνίες σε σταθερές αποστάσεις. Χρησιμοποίησαν βαθμονομήσεις απόλυτης δόσης για να επιβεβαιώσουν τα δεδομένα.

Το λέιζερ είχε αναβαθμιστεί από ένα μJ- σε ένα λέιζερ υψηλής μέσης ισχύος κατηγορίας mJ. Και τώρα, με το λέιζερ σφιχτά εστιασμένο και συντονισμένο σε ένα ευκαιριακό σύνολο παραμέτρων για τη δημιουργία πλάσματος στον αέρα, παρήχθη μια δέσμη ηλεκτρονίων που έφτασε έως και 1.4 MeV με ρυθμό δόσης 0.15 Gy/s. Το εύρημα των ερευνητών ωθεί τα όρια της γνώσης μας σχετικά με τους παλμούς λέιζερ υψηλής ισχύος, την ασφάλεια της ακτινοβολίας και ίσως ακόμη και την ακτινοθεραπεία FLASH, μια αναδυόμενη τεχνική θεραπείας του καρκίνου.

Λειτουργία με βέλτιστες παραμέτρους

«Τα μοντέλα μας απέκλεισαν άλλους μηχανισμούς επιτάχυνσης που θα μπορούσαν να παίξουν κάποιο ρόλο. Το περιορίσαμε σε μια εξήγηση: αυτή ήταν η επιτάχυνση από το ηλεκτρικό πεδίο του λέιζερ, γνωστή ως επιτάχυνση ponderomotive», λέει ο Vallières.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το λέιζερ σε ένα καθεστώς που ιονίζει τα μόρια του αέρα και στη συνέχεια αξιοποιεί το ηλεκτρικό πεδίο του λέιζερ για να επιταχύνει τα προκύπτοντα ηλεκτρόνια πάνω από 1 MeV.

«Αν πείτε στους φυσικούς του λέιζερ ότι μπορείτε να εστιάσετε ένα λέιζερ στον αέρα και να παράγετε ηλεκτρόνια 1 MeV, κανείς δεν θα το πιστέψει. Αυτό συμβαίνει επειδή όσο περισσότερη ενέργεια δίνετε στους παλμούς λέιζερ, κατά τη διάρκεια της περιόδου εστίασης, θα συσσωρεύονται μη γραμμικά φαινόμενα που θα καταστρέψουν το σχήμα της δέσμης και θα κορεστείτε σε ένταση. Αλλά αποδεικνύεται ότι ήμασταν πολύ τυχεροί», λέει ο Vallières. «Το μήκος κύματος, η διάρκεια του παλμού και η εστιακή απόσταση έπαιξαν ρόλο».

Ο Vallières εξηγεί ότι οι ερευνητές χειρίζονταν το λέιζερ στο μεσαίο υπέρυθρο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Χρησιμοποιώντας μεγαλύτερο μήκος κύματος από τα περισσότερα λέιζερ υψηλής μέσης ισχύος (1.8 μm αντί για περίπου 800 nm), οι μη γραμμικές εκτροπές μειώθηκαν. Αυτό το μήκος κύματος είναι επίσης ιδανικό για τη δημιουργία πλάσματος σε σχεδόν κρίσιμη πυκνότητα, συμβάλλοντας σε υψηλή δόση ανά παλμό.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν επίσης έναν σύντομο παλμό λέιζερ (12 fs). Αυτό μείωσε τον μη γραμμικό δείκτη διάθλασης - μια παράμετρο που σχετίζεται με τα ηλεκτρόνια που ταλαντώνονται στα μόρια του αέρα και την περιστροφή των ίδιων των μορίων του αέρα - κατά περίπου 75%, γεγονός που επίσης περιόρισε τα μη γραμμικά φαινόμενα.

Με στενή εστίαση (μικρή εστιακή απόσταση), οι ερευνητές μείωσαν και πάλι δραστικά τα μη γραμμικά φαινόμενα. Τελικά, το λέιζερ έφτασε σε αρκετά υψηλή ένταση (εντάσεις αιχμής έως 10¹⁹ W / cm²) για να εκτοξεύσει ηλεκτρόνια έως και 1.4 MeV.

FLASH, εφαρμογές ακτινοασφάλειας

Η Infinite Potential Laboratories LP έχει παράσχει χρηματοδότηση στους ερευνητές για να προωθήσουν την Ε&Α και να αναπτύξουν σχετικές τεχνολογίες και εκκρεμεί τουλάχιστον ένα δίπλωμα ευρεσιτεχνίας.

Μια εφαρμογή που ενδιαφέρει είναι το εφέ FLASH. Σε σύγκριση με τις συμβατικές τεχνικές ακτινοθεραπείας, η ακτινοθεραπεία FLASH μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ταχεία παροχή υψηλών δόσεων ακτινοβολίας για την καλύτερη προστασία του υγιούς ιστού γύρω από έναν όγκο. Οι στιγμιαίοι ρυθμοί δόσης των δεσμίδων ηλεκτρονίων που παράγονται από το σύστημα που βασίζεται σε λέιζερ των ερευνητών είναι τάξεις μεγέθους υψηλότερες από τους ιατρικούς γραμμικούς επιταχυντές, ακόμη και εκείνους που οδηγούνται σε λειτουργία FLASH.

«Καμία μελέτη δεν έχει καταφέρει ακόμα να εξηγήσει τον μηχανισμό πίσω από το φαινόμενο FLASH», λέει ο Vallières. «Ελπίζουμε ότι μπορούμε να αναπτύξουμε μια πλατφόρμα ακτινοβολίας κυττάρων ή ποντικών για τη μελέτη της ραδιοβιολογίας του FLASH».

Συσκευές φυσικής υψηλής ενέργειας προσαρμοσμένες για δοσιμετρία ηλεκτρονίων FLASH

Τα μαθήματα ακτινοασφάλειας αποτελούν επίσης υψηλή προτεραιότητα για τη Vallières. Τα σημερινά λέιζερ υψηλής μέσης ισχύος παράγουν τώρα ακτίνες λέιζερ με εντάσεις τόσο υψηλές όσο τα μεγαλύτερα λέιζερ των αρχών της δεκαετίας του 2000 και με πολύ υψηλότερους ρυθμούς επανάληψης – οδηγώντας σε υψηλούς ρυθμούς δόσης. Οι ερευνητές ελπίζουν ότι αυτή η εργασία βελτιώνει τις γνώσεις σε επίπεδο πεδίου και οδηγεί σε κανονισμούς ακτινοπροστασίας.

«Οι ενέργειες των ηλεκτρονίων που παρατηρήσαμε τους επιτρέπουν να ταξιδέψουν περισσότερα από τρία μέτρα στον αέρα. Αποκαλύψαμε έναν μεγάλο κίνδυνο ακτινοβολίας», λέει ο Vallières. «Έχω παρουσιάσει αυτή τη δουλειά σε συνέδρια, οι άνθρωποι είναι σοκαρισμένοι… Είναι αλήθεια, εννοώ, ποιος ευθυγραμμίζει μια παραβολή εστίασης με έναν μετρητή Geiger; Το κάναμε αυτό γιατί είναι κάτι που έχουμε κάνει στο παρελθόν. Νομίζω ότι [αυτό το έργο] θα ανοίξει λίγο περισσότερο τα μάτια των ανθρώπων και θα είναι πιο προσεκτικοί όταν δημιουργούν ένα πλάσμα στον αέρα. Ελπίζουμε να αλλάξουμε τον κανονισμό για την ασφάλεια των λέιζερ μέσω αυτής της εργασίας».

Η έρευνα περιγράφεται στο Κριτικές Laser & Photonics.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-based-electron-beam-could-help-explore-radiobiology-of-the-flash-effect/