Az ultragyors lézer alapú elektronsugár segíthet a FLASH-effektus radiobiológiájának feltárásában – Fizikai világ

Az ultragyors lézer alapú elektronsugár segíthet a FLASH-effektus radiobiológiájának feltárásában – Fizikai világ

Időbélyeg: 10. január 2024. 5:57

<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="Kutatócsoport Balról jobbra: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières és François Légaré. (jóvoltából: INRS)”> INRS kutatócsoport
Kutatócsoport Balról jobbra: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières és François Légaré. (Jóvolt: INRS)

Az Institut National de la Recherche Scientifique posztdoktori kutatója idején.INRS) Kanadában, Simon Vallières megkereste egy kolléga, aki rejtélyes megfigyelést tett. A kolléga plazmát készített a levegőben egy újonnan korszerűsített lézerrel az INRS-nél Advanced Laser Light Source (ALLS) Laboratórium amikor észrevették, hogy Geiger-számlálójuk értéke magasabb a vártnál.

„A 100 Hz-en működő lézert a levegőbe fókuszálta, és egy Geiger-számlálót helyezett a fókuszpont közelébe. Még a fókuszponttól három méterrel is kattogott a Geiger-számlálója” – mondja Vallières, az INRS kutatója. „Ez elég nagy távolság a röntgensugárzás vagy az elektronok számára. Azt mondtam, talán meg kellene mérnünk [a kiadott dózist] jól kalibrált dózismérőkkel.”

Orvosfizikusok a McGill Egyetem Egészségügyi Központja három egymástól függetlenül kalibrált sugárdetektorral mérte a kísérleti elrendezésből származó sugárdózist. A dózisokat nyolc nagyságrendben mérték a lézerfókusztól számított 6 m-es távolságban, valamint különböző szögekben rögzített távolságokban. Az adatok megerősítésére abszolút dóziskalibrációkat alkalmaztak.

A lézert µJ-ról mJ osztályú, nagy átlagos teljesítményű lézerre fejlesztették. És most, a lézer szorosan fókuszált és opportunista paraméterkészletre hangolva, hogy levegőben plazmát hozzon létre, 1.4 Gy/s dózissebességgel akár 0.15 MeV-ot is elérő elektronsugarat hoztak létre. A kutatók felfedezése kitágítja tudásunk határait a nagy teljesítményű lézerimpulzusokról, a sugárbiztonságról és talán még a FLASH sugárterápiáról is, amely egy feltörekvő rákkezelési technika.

Optimális paraméterekkel működik

„Modelleink kizártak más gyorsulási mechanizmusokat, amelyek szerepet játszhattak volna. Egyetlen magyarázatra szűkítettük le: ez a lézer elektromos mezőjéből származó gyorsulás volt, amelyet ponderomotoros gyorsulásnak neveznek” – mondja Vallières.

A kutatók a lézert olyan üzemmódban üzemeltették, amely levegőmolekulákat ionizált, majd a lézer elektromos mezőjét kihasználva 1 MeV fölé gyorsította a keletkező elektronokat.

„Ha azt mondod a lézerfizikusoknak, hogy fókuszálhatsz egy lézert a levegőben, és 1 MeV-os elektronokat állíthatsz elő, senki sem fogja elhinni. Ennek az az oka, hogy minél több energiát fordítasz a lézerimpulzusokra, a fókuszálási periódus alatt nemlineáris hatások halmozódnak fel, amelyek tönkreteszik a sugár alakját, és telítődni fog az intenzitása. De kiderült, hogy nagy szerencsénk volt” – mondja Vallières. "A hullámhossz, az impulzus időtartama és a gyújtótávolság mind szerepet játszott."

Vallières elmagyarázza, hogy a kutatók a lézert az elektromágneses spektrum középső infravörös részén működtették. A legtöbb nagy átlagos teljesítményű lézernél hosszabb hullámhossz (1.8 µm a körülbelül 800 nm helyett) csökkentette a nemlineáris aberrációkat. Ez a hullámhossz a kritikus közeli sűrűségű plazma létrehozásához is ideális, hozzájárulva az impulzusonkénti nagy dózishoz.

A kutatók egy rövid lézerimpulzust is alkalmaztak (12 fs). Ez körülbelül 75%-kal csökkentette a nemlineáris törésmutatót – a levegőmolekulákban rezgő elektronokhoz és magukhoz a levegőmolekulák forgásához kapcsolódó paramétert –, ami szintén korlátozta a nemlineáris hatásokat.

A szűk fókuszálással (rövid gyújtótávolság) a kutatók ismét drasztikusan csökkentették a nemlineáris hatásokat. Végül a lézer elég magas intenzitást ért el (a csúcsintenzitás 10-ig19 W / cm2) elektronok kilökésére 1.4 MeV-ig.

FLASH, sugárbiztonsági alkalmazások

Az Infinite Potential Laboratories LP finanszírozást biztosított a kutatóknak a K+F előmozdításához és a kapcsolódó technológiák fejlesztéséhez, és legalább egy szabadalom függőben van.

Az egyik érdekes alkalmazás a FLASH effektus. A hagyományos sugárterápiás technikákkal összehasonlítva a FLASH sugárterápia nagy dózisú sugárzás gyors leadására használható, hogy jobban megvédje a daganat körüli egészséges szöveteket. A kutatók lézeres rendszere által előállított elektroncsokor pillanatnyi dózisteljesítménye nagyságrendekkel nagyobb, mint az orvosi lineáris gyorsítóké, még a FLASH üzemmódban is.

"Még egyetlen tanulmány sem tudta megmagyarázni a FLASH hatás mögött meghúzódó mechanizmust" - mondja Vallières. "Reméljük, hogy kifejleszthetünk egy sejt- vagy egérsugárzási platformot a FLASH sugárbiológiájának tanulmányozására."

Vallières számára a sugárbiztonsági leckék szintén kiemelten fontosak. A mai nagy átlagos teljesítményű lézerek olyan intenzitású lézersugarat állítanak elő, mint a 2000-es évek elejének legnagyobb lézerei, és sokkal nagyobb ismétlési gyakorisággal – ami nagy dózisteljesítményt eredményez. A kutatók remélik, hogy ez a munka javítja a terepszintű ismereteket, és sugárbiztonsági előírásokhoz vezet.

„Az általunk megfigyelt elektronenergiák lehetővé teszik, hogy több mint három métert utazzanak a levegőben. Nagy sugárzási veszélyt tártunk fel” – mondja Vallières. „Konferenciákon mutattam be ezt a művet, az emberek megdöbbennek… Igaz, úgy értem, ki igazít egy fókuszáló parabolát egy Geiger-számlálóhoz? Azért tettük ezt, mert ezt a múltban is megtettük. Úgy gondolom, hogy [ez a mű] egy kicsit jobban felnyitja az emberek szemét, és óvatosabbak lesznek, amikor plazmát hoznak létre a levegőben. Reméljük, hogy ezzel a munkával meg tudjuk változtatni a lézerbiztonsági szabályozást.”

A kutatás leírása a Lézer és fotonika vélemények.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa