초고속 레이저 기반 전자빔은 FLASH 효과의 방사선생물학을 탐구하는 데 도움이 될 수 있습니다.

초고속 레이저 기반 전자빔은 FLASH 효과의 방사선생물학을 탐구하는 데 도움이 될 수 있습니다.

타임 스탬프 : 10 년 2024 월 5 일 오전 57:XNUMX

<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="연구팀 왼쪽부터: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières 및 François Légaré. (제공: INRS)”> INRS 연구팀
연구팀 왼쪽부터: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières 및 François Légaré. (제공: INRS)

국립과학연구소(Institut National de la Recherche Scientifique)에서 박사후 연구원으로 재직하는 동안INRS) 캐나다에서는 사이먼 발리에르 이상한 관찰을 한 동료가 다가왔습니다. 동료는 INRS에서 새로 업그레이드된 레이저를 사용하여 공기 중에서 플라즈마를 생성하고 있었습니다. 첨단 레이저 광원(ALLS) 연구실 가이거 계수기의 판독값이 예상보다 높다는 것을 발견했을 때였습니다.

“그는 100Hz로 작동하는 레이저의 초점을 공기 중에 맞추고 가이거 계수기를 초점 가까이에 두었습니다. 초점 지점에서 XNUMX미터 떨어진 곳에서도 그의 가이거 계수기는 딸깍 소리를 냈습니다.”라고 현재 INRS 연구원인 Vallières는 말합니다. “엑스선이나 전자가 이동할 수 있는 범위는 꽤 멀습니다. 나는 잘 보정된 선량계로 [전달되는 선량]을 측정해야 한다고 말했습니다.”

의학물리학자 출신 맥길 대학교 건강 센터 독립적으로 보정된 6개의 방사선 검출기를 사용하여 실험 설정에서 방사선량을 측정했습니다. 선량은 레이저 초점으로부터 최대 XNUMXm 거리에서 측정되었으며, 고정된 거리에서 다양한 각도로 측정되었습니다. 그들은 데이터를 확인하기 위해 절대 선량 교정을 사용했습니다.

레이저는 µJ급에서 mJ급 고평균 출력 레이저로 업그레이드되었습니다. 그리고 이제 레이저가 공기 중에 플라즈마를 생성하기 위해 기회주의적인 매개변수 세트에 집중되고 조정되면서 1.4Gy/s의 선량률로 최대 0.15MeV에 도달하는 전자빔이 생성되었습니다. 연구진의 발견은 고출력 레이저 펄스, 방사선 안전, 그리고 새로운 암 치료 기술인 FLASH 방사선 요법에 대한 우리 지식의 한계를 뛰어 넘었습니다.

최적의 매개변수로 작동

“우리 모델은 역할을 할 수 있는 다른 가속 메커니즘을 배제했습니다. 우리는 이를 한 가지 설명으로 좁혔습니다. 이것은 연못 운동 가속이라고 알려진 레이저 전기장으로부터의 가속이었습니다.”라고 Vallières는 말합니다.

연구원들은 공기 분자를 이온화한 다음 레이저의 전기장을 활용하여 생성된 전자를 1MeV 이상으로 가속하는 방식으로 레이저를 작동하고 있었습니다.

“레이저 물리학자들에게 레이저를 공기 중에 집중시켜 1MeV 전자를 생산할 수 있다고 말하면 아무도 믿지 않을 것입니다. 레이저 펄스에 더 많은 에너지를 투입할수록 포커싱 기간 동안 빔의 모양을 파괴하는 비선형 효과가 축적되고 강도가 포화되기 때문입니다. 하지만 알고 보니 우리는 정말 운이 좋았습니다.”라고 Vallières는 말합니다. "파장, 펄스 지속 시간 및 초점 거리가 모두 중요한 역할을 했습니다."

Vallières는 연구원들이 전자기 스펙트럼의 중적외선 부분에서 레이저를 작동하고 있었다고 설명합니다. 대부분의 고평균 출력 레이저보다 더 긴 파장(약 1.8nm ​​대신 800μm)을 사용하여 비선형 수차가 감소했습니다. 이 파장은 또한 거의 임계 밀도에서 플라즈마를 생성하는 데 이상적이며 펄스당 높은 선량에 기여합니다.

연구진은 또한 짧은 레이저 펄스(12fs)를 사용했습니다. 이로 인해 비선형 굴절률(공기 분자에서 진동하는 전자 및 공기 분자 자체의 회전과 관련된 매개변수)이 약 75% 감소했으며, 이로 인해 비선형 효과도 제한되었습니다.

긴밀한 초점(짧은 초점 거리)을 사용하여 연구원들은 비선형 효과를 다시 대폭 줄였습니다. 궁극적으로 레이저는 충분히 높은 강도에 도달했습니다(최대 강도는 1019 W / cm2) 최대 1.4MeV에서 전자를 쫓아냅니다.

FLASH, 방사선 안전 애플리케이션

Infinite Potential Laboratories LP는 연구원들이 R&D를 추진하고 관련 기술을 개발할 수 있도록 자금을 지원했으며 적어도 하나의 특허가 출원 중입니다.

관심 있는 응용 분야 중 하나는 FLASH 효과입니다. 기존 방사선 치료 기술과 비교하여 FLASH 방사선 치료는 종양 주변의 건강한 조직을 더 잘 보호하기 위해 고용량 방사선을 신속하게 전달하는 데 사용할 수 있습니다. 연구진의 레이저 기반 시스템에 의해 생성된 전자 다발의 순간 선량률은 의료용 선형 가속기, 심지어 FLASH 모드로 구동되는 것보다 훨씬 더 높습니다.

Vallières는 “아직 FLASH 효과의 메커니즘을 설명할 수 있는 연구는 없습니다.”라고 말했습니다. “FLASH의 방사선생물학을 연구하기 위한 세포 또는 생쥐 방사선 플랫폼을 개발할 수 있기를 바랍니다.”

방사선 안전에 대한 교육도 Vallières의 최우선 과제입니다. 오늘날의 평균 출력이 높은 레이저는 이제 2000년대 초반의 가장 큰 레이저만큼 높은 강도와 ​​훨씬 더 높은 반복률로 레이저 빔을 생성하여 높은 선량률을 달성합니다. 연구자들은 이번 연구가 현장 수준의 지식을 향상시키고 방사선 안전 규정으로 이어지기를 희망합니다.

“우리가 관찰한 전자 에너지는 그것들이 공기 중에서 3미터 이상 이동할 수 있게 해줍니다. 우리는 큰 방사선 위험을 해결했습니다.”라고 Vallières는 말합니다. “나는 이 연구를 컨퍼런스에서 발표했는데 사람들은 충격을 받았습니다. 누가 가이거 계수기와 포커싱 포물선을 정렬했는가? 우리가 이렇게 한 이유는 과거에 했던 일이기 때문입니다. 내 생각에 [이 작품은] 사람들의 눈을 좀 더 뜨게 하고, 공기 중에 플라즈마를 생성할 때 좀 더 조심하게 될 것 같아요. 이번 작업을 통해 레이저 안전 규정에 변화가 생겼으면 좋겠습니다.”

연구는 다음에 설명되어 있습니다. 레이저 및 포토닉스 리뷰.

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