Un haz de electrones ultrarrápido basado en láser podría ayudar a explorar la radiobiología del efecto 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="Equipo de investigación De izquierda a derecha: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières y François Légaré. (Cortesía: INRS)”>

Durante su etapa como investigador postdoctoral en el Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) en Canadá, Simon Vallières Se le acercó un colega que había hecho una observación desconcertante. El colega estaba creando un plasma en el aire utilizando un láser recientemente actualizado en el INRS. Laboratorio de fuente de luz láser avanzada (ALLS) cuando notaron que las lecturas en su contador Geiger eran más altas de lo esperado.

“Estaba enfocando el láser, que funcionaba a 100 Hz, en el aire y colocando un contador Geiger cerca del punto focal. Incluso a tres metros del punto focal, su contador Geiger hacía clic”, dice Vallières, ahora investigador asociado en el INRS. “Esa es una distancia bastante larga para que viajen los rayos X o los electrones. Dije que tal vez deberíamos medir [la dosis que se administra] con dosímetros bien calibrados”.

Físicos médicos de la Centro de salud de la Universidad McGill midió la dosis de radiación de la configuración experimental con tres detectores de radiación calibrados independientemente. Las dosis se midieron en ocho órdenes de magnitud a distancias de hasta 6 m del foco láser, así como para diferentes ángulos a distancias fijas. Utilizaron calibraciones de dosis absolutas para confirmar los datos.

El láser se había actualizado de un láser de potencia promedio alta de clase µJ a mJ. Y ahora, con el láser estrechamente enfocado y sintonizado con un conjunto oportunista de parámetros para crear un plasma en el aire, se produjo un haz de electrones que alcanzó hasta 1.4 MeV a una tasa de dosis de 0.15 Gy/s. El hallazgo de los investigadores amplía los límites de nuestro conocimiento sobre los pulsos láser de alta potencia, la seguridad de la radiación y tal vez incluso la radioterapia FLASH, una técnica emergente de tratamiento del cáncer.

Operando con parámetros óptimos

“Nuestros modelos descartaron otros mecanismos de aceleración que podrían haber influido. Lo redujimos a una explicación: se trataba de la aceleración del campo eléctrico del láser, conocida como aceleración ponderomotriz”, afirma Vallières.

Los investigadores operaban el láser en un régimen que ionizaba moléculas de aire y luego aprovechaba el campo eléctrico del láser para acelerar los electrones resultantes por encima de 1 MeV.

“Si les dices a los físicos láser que puedes enfocar un láser en el aire y producir electrones de 1 MeV, nadie lo creerá. Esto se debe a que cuanta más energía pongas en los pulsos del láser, durante el período de enfoque, acumularás efectos no lineales que destruirán la forma del haz y te saturarás en intensidad. Pero resulta que tuvimos mucha suerte”, afirma Vallières. "La longitud de onda, la duración del pulso y la distancia focal influyeron".

Vallières explica que los investigadores utilizaron el láser en la parte del infrarrojo medio del espectro electromagnético. Al utilizar una longitud de onda más larga que la mayoría de los láseres de alta potencia promedio (1.8 µm en lugar de alrededor de 800 nm), se redujeron las aberraciones no lineales. Esta longitud de onda también es ideal para crear un plasma con una densidad casi crítica, lo que contribuye a una dosis alta por pulso.

Los investigadores también utilizaron un pulso láser corto (12 fs). Esto redujo el índice de refracción no lineal (un parámetro relacionado con los electrones que oscilan en las moléculas de aire y la rotación de las propias moléculas de aire) en aproximadamente un 75 %, lo que también limitó los efectos no lineales.

Con un enfoque ajustado (una distancia focal corta), los investigadores nuevamente redujeron drásticamente los efectos no lineales. Al final, el láser alcanzó una intensidad suficientemente alta (intensidades máximas de hasta 10¹⁹ W / cm²) para expulsar electrones a una velocidad de hasta 1.4 MeV.

FLASH, aplicaciones de seguridad radiológica

Infinite Potential Laboratories LP ha proporcionado financiación para que los investigadores impulsen la investigación y el desarrollo y desarrollen tecnologías relacionadas, y al menos una patente está pendiente.

Una aplicación de interés es el efecto FLASH. En comparación con las técnicas de radioterapia convencionales, la radioterapia FLASH se puede utilizar para administrar rápidamente altas dosis de radiación para proteger mejor el tejido sano alrededor de un tumor. Las tasas de dosis instantáneas de los haces de electrones producidos por el sistema basado en láser de los investigadores son órdenes de magnitud más altas que las de los aceleradores lineales médicos, incluso los que funcionan en modo FLASH.

"Ningún estudio ha podido todavía explicar el mecanismo detrás del efecto FLASH", afirma Vallières. "Esperamos poder desarrollar una plataforma de radiación de células o ratones para estudiar la radiobiología de FLASH".

Dispositivos de física de alta energía adaptados para la dosimetría electrónica FLASH

Las lecciones sobre seguridad radiológica también son una alta prioridad para Vallières. Los láseres actuales de alta potencia promedio producen rayos láser con intensidades tan altas como los láseres más grandes de principios de la década de 2000, y con tasas de repetición mucho más altas, lo que conduce a tasas de dosis altas. Los investigadores esperan que este trabajo mejore el conocimiento a nivel de campo y conduzca a normas de seguridad radiológica.

“Las energías de los electrones que observamos les permiten viajar más de tres metros en el aire. Descubrimos un gran peligro de radiación”, afirma Vallières. “He presentado este trabajo en congresos, la gente está impactada… Es cierto, quiero decir, ¿quién alinea una parábola de enfoque con un contador Geiger? Hicimos esto porque es algo que hemos hecho en el pasado. Creo que [este trabajo] simplemente abrirá un poco más los ojos de las personas y tendrán más cuidado cuando creen plasma en el aire. Esperamos cambiar la normativa de seguridad láser a través de este trabajo”.

La investigación se describe en Reseñas de láser y fotónica.

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