Un faisceau d’électrons laser ultrarapide pourrait aider à explorer la radiobiologie de l’effet 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="L'équipe de recherche De gauche à droite : Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières et François Légaré. (Avec l'aimable autorisation de l'INRS) »>

Durant sa période de chercheur postdoctoral à l'Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) au Canada, Simon Vallières a été approché par un collègue qui avait fait une observation déroutante. Ce collègue créait un plasma dans l'air à l'aide d'un laser récemment amélioré à l'INRS. Laboratoire de source de lumière laser avancée (ALLS) lorsqu'ils ont remarqué que les lectures de leur compteur Geiger étaient plus élevées que prévu.

« Il focalisait le laser, qui fonctionnait à 100 Hz, dans l'air et plaçait un compteur Geiger près du point focal. Même à trois mètres du point focal, son compteur Geiger cliquait», raconte Vallières, aujourd'hui chercheur associé à l'INRS. «C'est une distance assez longue pour que les rayons X ou les électrons puissent se déplacer. J’ai dit, peut-être devrions-nous mesurer [la dose délivrée] avec des dosimètres bien calibrés.

Des physiciens médicaux du Centre universitaire de santé McGill mesuré la dose de rayonnement de la configuration expérimentale avec trois détecteurs de rayonnement calibrés indépendamment. Les doses ont été mesurées sur huit ordres de grandeur à des distances allant jusqu'à 6 m du foyer laser, ainsi que sous différents angles à des distances fixes. Ils ont utilisé des étalonnages de dose absolue pour confirmer les données.

Le laser a été amélioré d'un laser µJ à un laser de puissance moyenne élevée de classe mJ. Et maintenant, avec le laser étroitement focalisé et réglé sur un ensemble opportuniste de paramètres pour créer un plasma dans l’air, un faisceau d’électrons atteignant jusqu’à 1.4 MeV à un débit de dose de 0.15 Gy/s a été produit. Les découvertes des chercheurs repoussent les limites de nos connaissances sur les impulsions laser de haute puissance, la sécurité des radiations et peut-être même la radiothérapie FLASH, une technique émergente de traitement du cancer.

Fonctionner avec des paramètres optimaux

« Nos modèles ont exclu d’autres mécanismes d’accélération qui auraient pu jouer un rôle. Nous l’avons réduit à une seule explication : il s’agissait de l’accélération du champ électrique laser, connue sous le nom d’accélération pondéromotrice », explique Vallières.

Les chercheurs utilisaient le laser dans un régime qui ionisait les molécules d'air, puis exploitaient le champ électrique du laser pour accélérer les électrons résultants au-dessus de 1 MeV.

« Si vous dites aux physiciens du laser qu’il est possible de focaliser un laser dans l’air et de produire des électrons de 1 MeV, personne ne le croira. En effet, plus vous mettez d'énergie dans les impulsions laser, pendant la période de focalisation, vous accumulerez des effets non linéaires qui détruiront la forme du faisceau, et vous saturerez en intensité. Mais il s'avère que nous avons eu beaucoup de chance », dit Vallières. "La longueur d'onde, la durée de l'impulsion et la distance focale ont toutes joué un rôle."

Vallières explique que les chercheurs utilisaient le laser dans la partie infrarouge moyen du spectre électromagnétique. En utilisant une longueur d'onde plus longue que la plupart des lasers de puissance moyenne élevée (1.8 µm au lieu d'environ 800 nm), les aberrations non linéaires ont été réduites. Cette longueur d'onde est également idéale pour créer un plasma à une densité quasi critique, contribuant à une dose élevée par impulsion.

Les chercheurs ont également utilisé une courte impulsion laser (12 fs). Cela a réduit l’indice de réfraction non linéaire – un paramètre lié aux électrons qui oscillent dans les molécules d’air et à la rotation des molécules d’air elles-mêmes – d’environ 75 %, ce qui a également limité les effets non linéaires.

Avec une mise au point étroite (une courte distance focale), les chercheurs ont encore une fois considérablement réduit les effets non linéaires. Finalement, le laser a atteint une intensité suffisamment élevée (intensités maximales allant jusqu'à 10¹⁹ W / cm²) pour expulser des électrons jusqu'à 1.4 MeV.

FLASH, applications en radioprotection

Infinite Potential Laboratories LP a financé les chercheurs pour faire avancer la R&D et développer des technologies connexes, et au moins un brevet est en attente.

Une application intéressante est l’effet FLASH. Par rapport aux techniques de radiothérapie conventionnelles, la radiothérapie FLASH peut être utilisée pour administrer rapidement de fortes doses de rayonnement afin de mieux protéger les tissus sains autour d’une tumeur. Les débits de dose instantanés des paquets d'électrons produits par le système laser des chercheurs sont des ordres de grandeur supérieurs à ceux des accélérateurs linéaires médicaux, même ceux pilotés en mode FLASH.

«Aucune étude n'a encore pu expliquer le mécanisme derrière l'effet FLASH», explique Vallières. « Nous espérons pouvoir développer une plateforme de rayonnement de cellules ou de souris pour étudier la radiobiologie du FLASH. »

Dispositifs de physique des hautes énergies adaptés à la dosimétrie FLASH électronique

Les enseignements en matière de radioprotection sont également une priorité pour Vallières. Les lasers actuels de puissance moyenne élevée produisent désormais des faisceaux laser avec des intensités aussi élevées que les plus grands lasers du début des années 2000, et à des taux de répétition beaucoup plus élevés, ce qui conduit à des débits de dose élevés. Les chercheurs espèrent que ces travaux amélioreront les connaissances sur le terrain et mèneront à des réglementations en matière de radioprotection.

« Les énergies des électrons que nous avons observées leur permettent de parcourir plus de trois mètres dans l’air. Nous avons découvert un risque radiologique important », explique Vallières. « J'ai présenté ce travail lors de conférences, les gens sont choqués… C'est vrai, je veux dire, qui aligne une parabole focalisante avec un compteur Geiger ? Nous l'avons fait parce que c'est quelque chose que nous avons fait dans le passé. Je pense que [ce travail] va juste ouvrir un peu plus les yeux des gens et qu'ils seront plus prudents lorsqu'ils créeront un plasma dans l'air. Nous espérons modifier la réglementation sur la sécurité des lasers grâce à ce travail.

La recherche est décrite dans Avis sur les lasers et photoniques.

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