超高速レーザーベースの電子ビームは、フラッシュ効果の放射線生物学の探求に役立つ可能性がある – Physics World

超高速レーザーベースの電子ビームは、フラッシュ効果の放射線生物学の探求に役立つ可能性がある – Physics World

タイムスタンプ：10年2024月5日午前57時XNUMX分

<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="研究チーム 左から右へ：スティーブ・マクリーン、シルヴァン・フルモー、フランソワ・フィリオン＝グルドー、ステファン・パユール、シモン・ヴァリエール、フランソワ・レガレ。 (提供: INRS)”> INRS研究チーム
研究チーム 左から右へ：スティーブ・マクリーン、シルヴァン・フルモー、フランソワ・フィリオン＝グルドー、ステファン・パユール、シモン・ヴァリエール、フランソワ・レガレ。 (提供: INRS)

国立科学研究所で博士研究員として勤務していた間 (INRS） カナダで、 シモン・ヴァリエール 不可解な観察をした同僚が彼に近づきました。同僚は、INRS で新しくアップグレードされたレーザーを使用して空気中にプラズマを生成していました 先端レーザー光源（ALLS）研究室 ガイガーカウンターの測定値が予想よりも高いことに気づいたとき。

「彼は、100 Hz で動作するレーザーの焦点を空中で合わせ、ガイガーカウンターを焦点の近くに置きました。焦点から XNUMX メートル離れていても、彼のガイガーカウンターはカチカチ音を立てていました」と、現在 INRS の研究員であるヴァリエールは言います。 「これは、X線や電子が伝わるにはかなり遠い距離です。私は、適切に校正された線量計で[投与される線量を]測定すべきかもしれない、と言いました。」

医学物理学者 マギル大学保健センター は、6 つの独立して校正された放射線検出器を使用して、実験装置からの放射線量を測定しました。線量は、レーザー焦点から最大 XNUMX m の距離で XNUMX 桁にわたって測定され、また固定距離でのさまざまな角度でも測定されました。彼らはデータを確認するために絶対線量校正を使用しました。

レーザーはμJからmJクラスの高平均出力レーザーにアップグレードされていました。そして今度は、レーザーをしっかりと焦点を合わせ、空気中にプラズマを生成するための一連のパラメータに調整することで、線量率 1.4 Gy/s で最大 0.15 MeV に達する電子ビームが生成されました。研究者らの発見は、高出力レーザーパルス、放射線の安全性、さらには新たながん治療技術であるフラッシュ放射線療法についても、私たちの知識の限界を押し広げるものです。

最適なパラメータで動作する

「私たちのモデルは、何らかの役割を果たしている可能性のある他の加速メカニズムを排除しました。私たちはそれを 1 つの説明に絞り込みました。これは、ポンドロモーティブ加速として知られるレーザー電場による加速です」とヴァリエール氏は言います。

研究者らは、空気分子をイオン化してレーザーの電場を利用して、生成された電子を 1 MeV 以上に加速する体制でレーザーを動作させていました。

「レーザー物理学者に、空気中でレーザーを集束させて 1 MeV の電子を生成できると言っても、誰も信じないでしょう。これは、集束期間中にレーザー パルスに投入するエネルギーが増えるほど、非線形効果が蓄積され、ビームの形状が崩れ、強度が飽和してしまうためです。しかし、私たちはとても幸運だったことが分かりました」とヴァリエールは言います。 「波長、パルス持続時間、焦点距離がすべて重要な役割を果たしました。」

ヴァリエール氏は、研究者らは電磁スペクトルの中赤外線部分でレーザーを操作していたと説明した。ほとんどの高平均出力レーザーより長い波長 (約 1.8 nm ではなく 800 μm) を使用することにより、非線形収差が減少しました。この波長は、臨界密度に近いプラズマを生成するのにも理想的であり、パルスあたりの線量が高くなります。

研究者らは、短いレーザーパルス (12 fs) も使用しました。これにより、空気分子内で振動する電子と空気分子自体の回転に関連するパラメータである非線形屈折率が約 75% 減少し、非線形効果も制限されました。

研究者らは、厳密な焦点合わせ（短い焦点距離）により、非線形効果を再び大幅に低減しました。最終的に、レーザーは十分に高い強度 (ピーク強度は最大 10) に達しました。19 W / cm2) 最大 1.4 MeV で電子を追い出します。

フラッシュ、放射線安全アプリケーション

Infinite Potential Laboratories LP は、研究開発を推進し、関連技術を開発するために研究者に資金を提供しており、少なくとも 1 件の特許が出願中です。

興味深いアプリケーションの 1 つは FLASH エフェクトです。従来の放射線療法技術と比較して、フラッシュ放射線療法を使用すると、高線量の放射線を迅速に照射して、腫瘍周囲の健康な組織をより効果的に保護できます。研究者のレーザーベースのシステムによって生成される電子束の瞬間線量率は、フラッシュ モードで駆動される医療用線形加速器よりも桁違いに高くなります。

「FLASH効果の背後にあるメカニズムを説明できた研究はまだありません」とヴァリエール氏は言う。 「フラッシュの放射線生物学を研究するための細胞またはマウスの放射線プラットフォームを開発できればと考えています。」

放射線の安全性に関する授業もヴァリエールにとって最優先事項です。現在の高平均出力レーザーは、2000 年代初頭の最大レーザーと同じくらい高い強度で、はるかに高い繰り返し率でレーザー ビームを生成するため、線量率が高くなります。研究者らは、この研究が現場レベルの知識を向上させ、放射線の安全規制につながることを期待している。

「私たちが観察した電子エネルギーにより、電子は空気中を 3 メートル以上移動することができます。私たちは大きな放射線の危険性を解明しました」とヴァリエール氏は言う。 「私はこの研究をカンファレンスで発表しましたが、人々はショックを受けています…それは本当です、つまり、誰が集束放物線をガイガーカウンターに合わせるのでしょうか?私たちがこれをしたのは、それが過去にやったことだからです。 （この作品は）人々の目をもう少し開いて、空気中でプラズマを生成する際にもっと注意を払うようになると思います。私たちはこの取り組みを通じてレーザーの安全規制を変えたいと考えています。」

研究はで説明されています レーザーとフォトニクスのレビュー.

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