Ultranopea laserpohjainen elektronisäde voisi auttaa tutkimaan FLASH-ilmiön radiobiologiaa – 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="Tutkimusryhmä Vasemmalta oikealle: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières ja François Légaré. (Kohtelias: INRS)”>

Hänen aikanaan tutkijatohtorina Institut National de la Recherche Scientifiquessa (INRS) Kanadassa, Simon Vallières häntä lähestyi kollega, joka oli tehnyt hämmentävän havainnon. Kollegani loi plasmaa ilmaan käyttämällä äskettäin päivitettyä laseria INRS:ssä Advanced Laser Light Source (ALLS) -laboratorio kun he huomasivat, että heidän Geiger-laskurinsa lukemat olivat odotettua korkeammat.

"Hän tarkensi 100 Hz:n taajuudella toimivaa laseria ilmaan ja asetti Geiger-laskurin lähelle polttopistettä. Jopa kolmen metrin päässä polttopisteestä hänen Geiger-laskurinsa naksahti", sanoo Vallières, nyt INRS:n tutkija. "Se on melko kaukana röntgensäteiden tai elektronien kulkemisesta. Sanoin, että ehkä meidän pitäisi mitata [annostettava annos] hyvin kalibroiduilla annosmittareilla.

Lääketieteen fyysikot McGill Universityn terveyskeskus mittasi säteilyannoksen kokeellisesta järjestelystä kolmella itsenäisesti kalibroidulla säteilyilmaisimella. Annoksia mitattiin kahdeksalla suuruusluokalla jopa 6 metrin etäisyydeltä laserfookeesta sekä eri kulmista kiinteillä etäisyyksillä. He käyttivät absoluuttisia annoskalibrointeja tietojen vahvistamiseksi.

Laser oli päivitetty µJ- mJ-luokan korkean keskitehoisen laserin. Ja nyt, kun laser oli kohdistettu tiukasti ja viritetty opportunistisiin parametreihin plasman luomiseksi ilmaan, tuotettiin elektronisuihku, joka saavutti jopa 1.4 MeV 0.15 Gy/s:n annosnopeudella. Tutkijoiden löydös työntää tietojemme rajoja suuritehoisista laserpulsseista, säteilyturvallisuudesta ja ehkä jopa FLASH-sädehoidosta, nousevasta syövän hoitotekniikasta.

Toimii optimaalisilla parametreilla

”Mallemme sulki pois muut kiihdytysmekanismit, joilla olisi voinut olla merkitystä. Rajoitimme sen yhteen selitykseen: tämä oli lasersähkökentästä peräisin oleva kiihtyvyys, joka tunnetaan nimellä ponderomotorinen kiihtyvyys", Vallières sanoo.

Tutkijat käyttivät laseria järjestelmässä, joka ionisoi ilmamolekyylejä ja hyödynsi sitten laserin sähkökenttää kiihdyttääkseen tuloksena olevia elektroneja yli 1 MeV:n.

"Jos kerrot laserfyysikoille, että voit kohdistaa laserin ilmaan ja tuottaa 1 MeV elektroneja, kukaan ei usko sitä. Tämä johtuu siitä, että mitä enemmän energiaa laitat laserpulsseihin, keräät tarkennusjakson aikana epälineaarisia efektejä, jotka tuhoavat säteen muodon ja kyllästyt intensiteetissäsi. Mutta kävi ilmi, että olimme erittäin onnekkaita, Vallières sanoo. "Aallonpituudella, pulssin kestolla ja polttovälillä oli merkitystä."

Vallières selittää, että tutkijat käyttivät laseria sähkömagneettisen spektrin keski-infrapuna-alueella. Käyttämällä pidempää aallonpituutta kuin useimmat suuren keskitehoiset laserit (1.8 µm noin 800 nm:n sijaan), epälineaariset poikkeamat vähenivät. Tämä aallonpituus on ihanteellinen myös plasman luomiseen lähes kriittisellä tiheydellä, mikä myötävaikuttaa suureen annokseen pulssia kohden.

Tutkijat käyttivät myös lyhyttä laserpulssia (12 fs). Tämä alensi epälineaarista taitekerrointa – parametria, joka liittyy ilmamolekyyleissä värähteleviin elektroneihin ja itse ilmamolekyylien pyörimiseen – noin 75 %, mikä myös rajoitti epälineaarisia vaikutuksia.

Tiukalla tarkennuksella (lyhyt polttoväli) tutkijat vähensivät jälleen dramaattisesti epälineaarisia vaikutuksia. Lopulta laser saavutti riittävän korkean intensiteetin (huippuintensiteetit jopa 10¹⁹ W / cm²) potkimaan elektroneja ulos 1.4 MeV:iin asti.

FLASH, säteilyturvallisuussovellukset

Infinite Potential Laboratories LP on rahoittanut tutkijoita T&K:n edistämiseksi ja siihen liittyvien teknologioiden kehittämiseksi, ja ainakin yksi patentti on vireillä.

Yksi kiinnostava sovellus on FLASH-efekti. Perinteisiin sädehoitotekniikoihin verrattuna FLASH-sädehoitoa voidaan käyttää suurten säteilyannosten nopeaan annostelemiseen, mikä suojaa paremmin kasvainta ympäröivää tervettä kudosta. Tutkijoiden laserpohjaisen järjestelmän tuottamien elektroninippujen hetkelliset annosnopeudet ovat suuruusluokkaa suurempia kuin lääketieteelliset lineaariset kiihdyttimet, jopa FLASH-tilassa.

"Mikään tutkimus ei ole vielä pystynyt selittämään FLASH-ilmiön takana olevaa mekanismia", Vallières sanoo. "Toivomme, että voimme kehittää solujen tai hiirten säteilyalustan FLASHin radiobiologian tutkimiseen."

Suurienergiset fysiikan laitteet, jotka on sovitettu elektroni FLASH-dosimetriaan

Säteilyturvallisuuden oppitunnit ovat myös Vallièresille erittäin tärkeitä. Nykypäivän korkean keskitehoiset laserit tuottavat nyt lasersäteitä, joiden intensiteetit ovat yhtä korkeat kuin 2000-luvun alun suurimpien lasereiden, ja paljon suuremmalla toistotiheydellä, mikä johtaa korkeisiin annosnopeuksiin. Tutkijat toivovat tämän työn parantavan kenttätason tietämystä ja johtavan säteilyturvallisuusmääräyksiin.

"Havaitsemamme elektronien energiat antavat niiden kulkea yli kolme metriä ilmassa. Selvitimme suuren säteilyvaaran”, Vallières sanoo. ”Olen esitellyt tätä työtä konferensseissa, ihmiset ovat järkyttyneitä… Se on totta, tarkoitan, kuka kohdistaa fokusoivan paraabelin Geiger-laskuriin? Teimme tämän, koska olemme tehneet sen aiemmin. Luulen, että [tämä teos] tulee vain avaamaan ihmisten silmiä hieman enemmän ja he tulevat olemaan varovaisempia luodessaan plasmaa ilmaan. Toivomme voivamme muuttaa laserturvallisuusmääräystä tämän työn myötä.

Tutkimusta kuvataan Laser- ja fotoniikka-arvostelut.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-based-electron-beam-could-help-explore-radiobiology-of-the-flash-effect/