Ultrakiire laseril põhinev elektronkiir võib aidata uurida FLASH-efekti radiobioloogiat – füüsikamaailma

<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="Uurimisrühm Vasakult paremale: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières ja François Légaré. (Viisakalt: INRS)”>

Ajal, mil ta oli Institut National de la Recherche Scientifique järeldoktor.INRS) Kanadas, Simon Vallières tema poole pöördus kolleeg, kes oli teinud mõistatusliku tähelepaneku. Kolleeg lõi äsja uuendatud laseriga INRS-is õhus plasmat Täiustatud laservalgusallika (ALLS) labor kui nad märkasid, et nende Geigeri loenduri näidud olid oodatust kõrgemad.

"Ta teravustas 100 Hz sagedusega laserit õhku ja asetas Geigeri loenduri fookuspunkti lähedale. Isegi kolme meetri kaugusel fookuspunktist klõpsas tema Geigeri loendur,” ütleb Vallières, praegu INRSi teadur. "See on röntgenikiirguse või elektronide liikumiseks üsna kaugel. Ma ütlesin, et võib-olla peaksime mõõtma [annatavat annust] hästi kalibreeritud dosimeetritega.

Meditsiinifüüsikud alates McGilli ülikooli tervisekeskus mõõtis kiirgusdoosi eksperimentaalsest seadistusest kolme sõltumatult kalibreeritud kiirgusdetektoriga. Doose mõõdeti kaheksa suurusjärgu ulatuses laserfookusest kuni 6 m kaugusel, samuti erinevate nurkade korral fikseeritud vahemaadel. Nad kasutasid andmete kinnitamiseks absoluutannuse kalibreerimist.

Laser oli uuendatud µJ-lt mJ-klassi suure keskmise võimsusega laseriks. Ja nüüd, kui laser oli tihedalt fokuseeritud ja häälestatud oportunistlikule parameetrite komplektile, et luua õhus plasma, tekkis elektronkiir, mis ulatus kuni 1.4 MeV doosikiirusega 0.15 Gy/s. Teadlaste avastus nihutab meie teadmiste piire suure võimsusega laserimpulsside, kiirgusohutuse ja võib-olla isegi FLASH-kiiritusravi, esilekerkiva vähiravi tehnika kohta.

Optimaalsete parameetritega töötamine

"Meie mudelid välistasid muud kiirendusmehhanismid, mis võisid rolli mängida. Kitsendasime selle ühe seletusega: see oli laseri elektrivälja kiirendus, mida tuntakse ponderomotoorse kiirendusena, ”ütleb Vallières.

Teadlased kasutasid laserit režiimis, mis ioniseeris õhumolekule ja kasutas seejärel laseri elektrivälja, et kiirendada saadud elektrone üle 1 MeV.

"Kui ütlete laserfüüsikutele, et saate laseri õhus fokuseerida ja toota 1 MeV elektrone, ei usu seda keegi. Selle põhjuseks on asjaolu, et mida rohkem energiat panete laserimpulssidele, kogunevad teile teravustamisperioodil mittelineaarsed efektid, mis hävitavad kiire kuju ja intensiivsus küllastub. Aga tuleb välja, et meil vedas väga,” räägib Vallières. "Oma osa mängisid lainepikkus, impulsi kestus ja fookuskaugus."

Vallières selgitab, et teadlased kasutasid laserit elektromagnetilise spektri keskmises infrapunaosas. Kasutades suuremat lainepikkust kui enamik suure keskmise võimsusega lasereid (1.8 µm umbes 800 nm asemel), vähenesid mittelineaarsed aberratsioonid. See lainepikkus sobib ideaalselt ka peaaegu kriitilise tihedusega plasma loomiseks, aidates kaasa suurele annusele impulsi kohta.

Teadlased kasutasid ka lühikest laserimpulssi (12 fs). See vähendas mittelineaarset murdumisnäitajat – parameetrit, mis on seotud õhumolekulides võnkuvate elektronidega ja õhumolekulide enda pöörlemisega – ligikaudu 75%, mis piiras ka mittelineaarset mõju.

Tiheda teravustamise (lühike fookuskaugusega) abil vähendasid teadlased taas drastiliselt mittelineaarseid efekte. Lõppkokkuvõttes saavutas laser piisavalt kõrge intensiivsuse (tiintensiivsus kuni 10¹⁹ W / cm²) elektronide väljalöömiseks kuni 1.4 MeV juures.

FLASH, kiirgusohutuse rakendused

Infinite Potential Laboratories LP on rahastanud teadlasi teadus- ja arendustegevuse edendamiseks ning seotud tehnoloogiate arendamiseks ning vähemalt üks patent on ootel.

Üks huvipakkuv rakendus on FLASH-efekt. Võrreldes tavapäraste kiiritusravi tehnikatega saab FLASH-kiiritusravi kasutada suurte kiirgusdooside kiireks manustamiseks, et kaitsta kasvajat ümbritsevat tervet kudet. Teadlaste laseripõhise süsteemi toodetud elektronkimpude hetkelised doosikiirused on suurusjärgus kõrgemad kui meditsiinilistel lineaarsetel kiirenditel, isegi neil, mida juhitakse FLASH-režiimis.

"Ükski uuring ei ole veel suutnud selgitada FLASH-efekti taga olevat mehhanismi, " ütleb Vallières. "Loodame, et suudame FLASH-i radiobioloogia uurimiseks välja töötada rakkude või hiirte kiirgusplatvormi."

Suure energiatarbega füüsikaseadmed, mis on kohandatud elektronide FLASH dosimeetria jaoks

Kiirgusohutuse õppetunnid on ka Vallières'i jaoks esmatähtis. Tänapäeva suure keskmise võimsusega laserid toodavad nüüd sama suure intensiivsusega laserkiire kui 2000. aastate alguse suurimatel laseritel ja palju suurema kordussagedusega, mis toob kaasa suured doosikiirused. Teadlased loodavad, et see töö parandab valdkonna teadmisi ja viib kiirgusohutuse eeskirjadeni.

"Meie vaadeldavad elektronide energiad võimaldavad neil õhus liikuda rohkem kui kolm meetrit. Avastasime suure kiirgusohu, ”ütleb Vallières. “Olen seda tööd konverentsidel esitlenud, inimesed on šokeeritud... See on tõsi, ma mõtlen, kes joondab teravustamisparabooli Geigeri loenduriga? Tegime seda, sest oleme seda varem teinud. Ma arvan, et [see teos] lihtsalt avab inimeste silmad veidi rohkem ja nad on ettevaatlikumad, kui nad õhus plasmat tekitavad. Loodame selle tööga muuta laserohutuse määrust.

Uuringut kirjeldatakse artiklis Laseri ja fotoonika ülevaated.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-based-electron-beam-could-help-explore-radiobiology-of-the-flash-effect/