Il raggio di elettroni ultraveloce basato su laser potrebbe aiutare a esplorare la radiobiologia dell’effetto 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="Gruppo di ricerca From left to right: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières and François Légaré. (Courtesy: INRS)”>

Durante il suo periodo come ricercatore post-dottorato presso l'Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) in Canada, Simon Vallieres è stato avvicinato da un collega che aveva fatto un'osservazione sconcertante. Il collega stava creando un plasma nell'aria utilizzando un laser appena aggiornato presso l'INRS Laboratorio di sorgenti luminose laser avanzate (ALLS). quando hanno notato che le letture sul loro contatore Geiger erano più alte del previsto.

“Stava focalizzando il laser, che funzionava a 100 Hz, nell’aria e avvicinando un contatore Geiger al punto focale. Anche a tre metri di distanza dal punto focale, il suo contatore Geiger scattava”, spiega Vallières, ora ricercatore associato presso l’INRS. “Si tratta di una distanza piuttosto ampia per i raggi X o gli elettroni. Ho detto che forse dovremmo misurare [la dose somministrata] con dosimetri ben calibrati”.

Fisici medici del Centro sanitario della McGill University misurato la dose di radiazioni dall'apparato sperimentale con tre rilevatori di radiazioni calibrati in modo indipendente. Le dosi sono state misurate su otto ordini di grandezza a distanze fino a 6 m dal fuoco del laser, nonché per diversi angoli a distanze fisse. Hanno utilizzato calibrazioni della dose assoluta per confermare i dati.

Il laser era stato aggiornato da un laser di potenza media elevata di classe µJ a uno di classe mJ. E ora, con il laser ben focalizzato e sintonizzato su una serie di parametri opportunistici per creare un plasma nell’aria, è stato prodotto un fascio di elettroni che raggiungeva fino a 1.4 MeV a una velocità di dose di 0.15 Gy/s. La scoperta dei ricercatori spinge i confini della nostra conoscenza sugli impulsi laser ad alta potenza, sulla sicurezza dalle radiazioni e forse anche sulla radioterapia FLASH, una tecnica emergente di trattamento del cancro.

Operare con parametri ottimali

“I nostri modelli escludono altri meccanismi di accelerazione che avrebbero potuto avere un ruolo. Abbiamo ristretto il campo a una spiegazione: si trattava dell’accelerazione dal campo elettrico del laser, nota come accelerazione ponderomotrice”, afferma Vallières.

I ricercatori stavano azionando il laser in un regime che ionizzava le molecole d'aria e poi sfruttava il campo elettrico del laser per accelerare gli elettroni risultanti sopra 1 MeV.

“Se dici ai fisici dei laser che puoi focalizzare un laser nell’aria e produrre elettroni da 1 MeV, nessuno ci crederà. Questo perché maggiore è l'energia immessa negli impulsi laser, durante il periodo di messa a fuoco, accumulerai effetti non lineari che distruggeranno la forma del raggio e ti satureranno di intensità. Ma a quanto pare siamo stati molto fortunati”, dice Vallières. "La lunghezza d'onda, la durata dell'impulso e la lunghezza focale hanno avuto un ruolo."

Vallières spiega che i ricercatori stavano utilizzando il laser nella parte del medio infrarosso dello spettro elettromagnetico. Utilizzando una lunghezza d'onda maggiore rispetto alla maggior parte dei laser ad alta potenza media (1.8 µm invece di circa 800 nm), le aberrazioni non lineari sono state ridotte. Questa lunghezza d'onda è ideale anche per creare un plasma a densità quasi critica, contribuendo a una dose elevata per impulso.

I ricercatori hanno utilizzato anche un breve impulso laser (12 fs). Ciò ha ridotto l’indice di rifrazione non lineare – un parametro correlato agli elettroni che oscillano nelle molecole d’aria e alla rotazione delle molecole d’aria stesse – di circa il 75%, limitando anche gli effetti non lineari.

Con una messa a fuoco ravvicinata (una lunghezza focale corta), i ricercatori hanno nuovamente ridotto drasticamente gli effetti non lineari. Alla fine, il laser ha raggiunto un'intensità sufficientemente elevata (intensità di picco fino a 10¹⁹ W / cm²) per espellere elettroni fino a 1.4 MeV.

FLASH, applicazioni per la radioprotezione

Infinite Potential Laboratories LP ha fornito finanziamenti ai ricercatori per portare avanti la ricerca e sviluppo e sviluppare tecnologie correlate, e almeno un brevetto è in attesa.

Un'applicazione interessante è l'effetto FLASH. Rispetto alle tecniche di radioterapia convenzionali, la radioterapia FLASH può essere utilizzata per somministrare rapidamente alte dosi di radiazioni per proteggere meglio il tessuto sano attorno al tumore. I tassi di dose istantanea dei gruppi di elettroni prodotti dal sistema laser dei ricercatori sono ordini di grandezza superiori a quelli degli acceleratori lineari medici, anche quelli guidati in modalità FLASH.

"Nessuno studio è stato ancora in grado di spiegare il meccanismo alla base dell'effetto FLASH", afferma Vallières. “Speriamo di poter sviluppare una piattaforma di radiazioni su cellule o topi per studiare la radiobiologia di FLASH”.

Dispositivi di fisica ad alta energia adattati per la dosimetria FLASH elettronica

Anche le lezioni sulla radioprotezione sono una priorità per Vallières. Gli odierni laser a potenza media elevata producono ora raggi laser con intensità pari a quelle dei laser più grandi dei primi anni 2000 e con tassi di ripetizione molto più elevati, il che porta a tassi di dose elevati. I ricercatori sperano che questo lavoro migliori le conoscenze a livello di campo e porti a norme sulla sicurezza delle radiazioni.

“Le energie degli elettroni che abbiamo osservato consentono loro di viaggiare per più di tre metri nell’aria. Abbiamo svelato un grosso rischio di radiazioni”, afferma Vallières. “Ho presentato questo lavoro a dei convegni, la gente è rimasta scioccata… È vero, voglio dire, chi allinea una parabola di focalizzazione con un contatore Geiger? Lo abbiamo fatto perché è qualcosa che abbiamo fatto in passato. Penso che [questo lavoro] aprirà un po' di più gli occhi alle persone e faranno più attenzione quando creeranno un plasma nell'aria. Speriamo di cambiare la regolamentazione sulla sicurezza del laser attraverso questo lavoro”.

La ricerca è descritta in Recensioni su laser e fotonica.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-based-electron-beam-could-help-explore-radiobiology-of-the-flash-effect/