Berkas elektron berbasis laser ultracepat dapat membantu mengeksplorasi radiobiologi efek FLASH – Dunia Fisika

<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="tim peneliti Dari kiri ke kanan: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières dan François Légaré. (Sumber: INRS)”>

Selama menjadi peneliti postdoctoral di Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) Di kanada, Simon Vallieres didekati oleh seorang rekan yang telah membuat pengamatan yang membingungkan. Rekannya membuat plasma di udara menggunakan laser yang baru ditingkatkan di INRS Laboratorium Sumber Cahaya Laser Tingkat Lanjut (ALLS). ketika mereka menyadari bahwa pembacaan pada penghitung Geiger mereka lebih tinggi dari yang diharapkan.

“Dia memfokuskan laser, yang beroperasi pada kecepatan 100 Hz, di udara dan menempatkan penghitung Geiger di dekat titik fokus. Bahkan tiga meter dari titik fokus, penghitung Geiger miliknya terus berbunyi klik,” kata Vallières, yang sekarang menjadi peneliti di INRS. “Itu adalah jarak yang cukup jauh untuk dilalui sinar-X atau elektron. Saya bilang, mungkin kita harus mengukur [dosis yang diberikan] dengan dosimeter yang terkalibrasi dengan baik.”

Fisikawan medis dari Pusat Kesehatan Universitas McGill mengukur dosis radiasi dari pengaturan eksperimental dengan tiga detektor radiasi yang dikalibrasi secara independen. Dosis diukur pada delapan kali lipat pada jarak hingga 6 m dari fokus laser, serta untuk sudut berbeda pada jarak tetap. Mereka menggunakan kalibrasi dosis absolut untuk mengkonfirmasi data.

Laser telah ditingkatkan dari laser daya rata-rata tinggi kelas µJ- menjadi mJ. Dan sekarang, dengan laser yang terfokus secara ketat dan disetel ke serangkaian parameter oportunistik untuk menciptakan plasma di udara, berkas elektron yang mencapai hingga 1.4 MeV pada laju dosis 0.15 Gy/s dihasilkan. Temuan para peneliti ini mendorong batas-batas pengetahuan kita tentang pulsa laser berkekuatan tinggi, keamanan radiasi, dan bahkan mungkin radioterapi FLASH, sebuah teknik pengobatan kanker yang sedang berkembang.

Beroperasi dengan parameter optimal

“Model kami mengesampingkan mekanisme akselerasi lain yang mungkin berperan. Kami mempersempitnya menjadi satu penjelasan: ini adalah percepatan dari medan listrik laser, yang dikenal sebagai percepatan ponderomotive,” kata Vallières.

Para peneliti mengoperasikan laser dalam sistem yang mengionisasi molekul udara dan kemudian memanfaatkan medan listrik laser untuk mempercepat elektron yang dihasilkan di atas 1 MeV.

“Jika Anda memberi tahu fisikawan laser bahwa Anda dapat memfokuskan laser di udara dan menghasilkan elektron 1 MeV, tidak ada yang akan mempercayainya. Hal ini karena semakin banyak energi yang Anda masukkan ke dalam pulsa laser, selama periode pemfokusan, Anda akan mengakumulasi efek nonlinier yang akan merusak bentuk sinar, dan intensitasnya akan jenuh. Namun ternyata kami sangat beruntung,” kata Vallières. “Panjang gelombang, durasi denyut, dan panjang fokus semuanya berperan.”

Vallières menjelaskan bahwa para peneliti mengoperasikan laser di bagian inframerah-tengah dari spektrum elektromagnetik. Dengan menggunakan panjang gelombang yang lebih panjang dibandingkan kebanyakan laser berkekuatan rata-rata tinggi (1.8 µm, bukan sekitar 800 nm), penyimpangan nonlinier dapat dikurangi. Panjang gelombang ini juga ideal untuk membuat plasma dengan kepadatan mendekati kritis, sehingga berkontribusi terhadap dosis tinggi per denyut.

Para peneliti juga menggunakan pulsa laser pendek (12 fs). Hal ini mengurangi indeks bias nonlinier – parameter yang berkaitan dengan elektron yang berosilasi dalam molekul udara dan rotasi molekul udara itu sendiri – sekitar 75%, yang juga membatasi efek nonlinier.

Dengan fokus yang ketat (panjang fokus yang pendek), para peneliti kembali mengurangi efek nonlinier secara drastis. Pada akhirnya, laser mencapai intensitas yang cukup tinggi (intensitas puncak hingga 10¹⁹ W / cm²) untuk mengeluarkan elektron hingga 1.4 MeV.

FLASH, aplikasi keselamatan radiasi

Laboratorium Potensi Tak Terbatas LP telah menyediakan dana bagi para peneliti untuk mendorong penelitian dan pengembangan serta mengembangkan teknologi terkait, dan setidaknya satu paten masih menunggu keputusan.

Salah satu penerapan yang menarik adalah efek FLASH. Dibandingkan dengan teknik terapi radiasi konvensional, radioterapi FLASH dapat digunakan untuk menyalurkan radiasi dosis tinggi dengan cepat guna melindungi jaringan sehat di sekitar tumor dengan lebih baik. Laju dosis sesaat dari tandan elektron yang dihasilkan oleh sistem berbasis laser milik para peneliti jauh lebih tinggi dibandingkan akselerator linier medis, bahkan yang digerakkan dalam mode FLASH.

“Belum ada penelitian yang mampu menjelaskan mekanisme di balik efek FLASH,” kata Vallières. “Kami berharap dapat mengembangkan platform radiasi sel atau tikus untuk mempelajari radiobiologi FLASH.”

Perangkat fisika energi tinggi diadaptasi untuk dosimetri FLASH elektron

Pelajaran mengenai keselamatan radiasi juga merupakan prioritas utama bagi Vallières. Laser berkekuatan rata-rata tinggi saat ini menghasilkan sinar laser dengan intensitas setinggi laser terbesar di awal tahun 2000an, dan dengan tingkat pengulangan yang jauh lebih tinggi – sehingga menghasilkan tingkat dosis yang tinggi. Para peneliti berharap pekerjaan ini meningkatkan pengetahuan di tingkat lapangan dan mengarah pada peraturan keselamatan radiasi.

“Energi elektron yang kami amati memungkinkan mereka melakukan perjalanan lebih dari tiga meter di udara. Kami mengungkap bahaya radiasi yang besar,” kata Vallières. “Saya telah mempresentasikan karya ini di konferensi, orang-orang terkejut… Benar, maksud saya, siapa yang menyelaraskan parabola pemfokusan dengan penghitung Geiger? Kami melakukan ini karena ini adalah sesuatu yang pernah kami lakukan di masa lalu. Saya pikir [pekerjaan ini] akan membuka mata orang-orang dan mereka akan lebih berhati-hati saat membuat plasma di udara. Kami berharap dapat mengubah peraturan keselamatan laser melalui pekerjaan ini.”

Penelitian tersebut dijelaskan dalam Ulasan Laser & Fotonik.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-based-electron-beam-could-help-explore-radiobiology-of-the-flash-effect/