Ultrasnelle lasergebaseerde elektronenbundel zou kunnen helpen bij het onderzoeken van de radiobiologie van het FLASH-effect – Physics World

Ultrasnelle lasergebaseerde elektronenbundel zou kunnen helpen bij het onderzoeken van de radiobiologie van het FLASH-effect – Physics World

Tijdstempel: 10 januari 2024 5:57 uur

<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="Onderzoeks groep Van links naar rechts: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières en François Légaré. (Met dank: INRS)”> INRS-onderzoeksteam
Onderzoeks groep Van links naar rechts: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières en François Légaré. (Met dank: INRS)

Tijdens zijn tijd als postdoctoraal onderzoeker aan het Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) in Canada, Simon Vallières werd benaderd door een collega die een raadselachtige observatie had gedaan. De collega creëerde een plasma in de lucht met behulp van een onlangs verbeterde laser bij INRS Laboratorium voor geavanceerde laserlichtbronnen (ALLS). toen ze merkten dat de waarden op hun Geigerteller hoger waren dan verwacht.

“Hij focuste de laser, die op 100 Hz draaide, in de lucht en plaatste een geigerteller dicht bij het brandpunt. Zelfs op drie meter afstand van het brandpunt klikte zijn Geigerteller”, zegt Vallières, nu onderzoeksmedewerker bij INRS. “Dat is een behoorlijk groot bereik voor röntgenstralen of elektronen. Ik zei: misschien moeten we [de toegediende dosis] meten met goed gekalibreerde dosismeters.”

Medisch natuurkundigen uit de Gezondheidscentrum van de McGill University mat de stralingsdosis uit de experimentele opstelling met drie onafhankelijk gekalibreerde stralingsdetectoren. Doses werden gemeten over acht ordes van grootte op afstanden tot 6 m van de laserfocus, evenals voor verschillende hoeken op vaste afstanden. Ze gebruikten absolute dosiskalibraties om de gegevens te bevestigen.

De laser was geüpgraded van een µJ- naar een mJ-klasse laser met hoog gemiddeld vermogen. En nu, met de laser strak gefocust en afgestemd op een opportunistische reeks parameters om een ​​plasma in de lucht te creëren, werd een elektronenbundel geproduceerd die tot 1.4 MeV reikte bij een dosistempo van 0.15 Gy/s. De bevindingen van de onderzoekers verleggen de grenzen van onze kennis over krachtige laserpulsen, stralingsveiligheid en misschien zelfs FLASH-radiotherapie, een opkomende techniek voor de behandeling van kanker.

Werken met optimale parameters

“Onze modellen sloten andere versnellingsmechanismen uit die een rol hadden kunnen spelen. We hebben het teruggebracht tot één verklaring: dit was de versnelling van het elektrische veld van de laser, bekend als ponderomotorische versnelling”, zegt Vallières.

De onderzoekers gebruikten de laser in een regime dat luchtmoleculen ioniseerde en vervolgens het elektrische veld van de laser benutte om de resulterende elektronen boven 1 MeV te versnellen.

“Als je laserfysici vertelt dat je een laser in de lucht kunt focusseren en 1 MeV-elektronen kunt produceren, zal niemand het geloven. Dat komt omdat hoe meer energie u tijdens de scherpstellingsperiode in de laserpulsen stopt, niet-lineaire effecten zullen accumuleren die de vorm van de straal zullen vernietigen, en de intensiteit zal verzadigen. Maar het blijkt dat we heel veel geluk hebben gehad”, zegt Vallières. “De golflengte, pulsduur en brandpuntsafstand speelden allemaal een rol.”

Vallières legt uit dat de onderzoekers de laser in het midden-infrarode deel van het elektromagnetische spectrum gebruikten. Door een langere golflengte te gebruiken dan de meeste lasers met hoog gemiddeld vermogen (1.8 µm in plaats van ongeveer 800 nm), werden niet-lineaire aberraties verminderd. Deze golflengte is ook ideaal voor het creëren van een plasma met een bijna kritische dichtheid, wat bijdraagt ​​aan een hoge dosis per puls.

De onderzoekers gebruikten ook een korte laserpuls (12 fs). Dit verminderde de niet-lineaire brekingsindex – een parameter die verband houdt met de elektronen die oscilleren in luchtmoleculen en de rotatie van luchtmoleculen zelf – met ongeveer 75%, wat ook de niet-lineaire effecten beperkte.

Met een strakke scherpstelling (een korte brandpuntsafstand) verminderden de onderzoekers de niet-lineaire effecten opnieuw drastisch. Uiteindelijk bereikte de laser een intensiteit die hoog genoeg was (piekintensiteiten tot 1019 W / cm2) om elektronen uit te schakelen met een snelheid tot 1.4 MeV.

FLASH, toepassingen voor stralingsveiligheid

Infinite Potential Laboratories LP heeft de onderzoekers gefinancierd om R&D vooruit te helpen en aanverwante technologieën te ontwikkelen, en er is ten minste één patent aangevraagd.

Een interessante toepassing is het FLASH-effect. Vergeleken met conventionele radiotherapietechnieken kan FLASH-radiotherapie worden gebruikt om snel hoge doses straling af te geven om het gezonde weefsel rond een tumor beter te beschermen. De momentane dosissnelheden van de elektronenbundels geproduceerd door het lasergebaseerde systeem van de onderzoekers zijn ordes van grootte hoger dan die van medische lineaire versnellers, zelfs die aangedreven in de FLASH-modus.

“Er is nog geen enkele studie die het mechanisme achter het FLASH-effect kan verklaren”, zegt Vallières. “We hopen dat we een cel- of muizenstralingsplatform kunnen ontwikkelen om de radiobiologie van FLASH te bestuderen.”

Lessen in stralingsveiligheid hebben ook een hoge prioriteit voor Vallières. De huidige lasers met een hoog gemiddeld vermogen produceren nu laserstralen met een intensiteit die even hoog is als die van de grootste lasers uit het begin van de jaren 2000, en met veel hogere herhalingsfrequenties – wat leidt tot hoge dosissnelheden. De onderzoekers hopen dat dit werk de kennis op veldniveau verbetert en leidt tot regelgeving voor stralingsveiligheid.

“Dankzij de elektronenenergieën die we hebben waargenomen, kunnen ze meer dan drie meter door de lucht reizen. We hebben een groot stralingsgevaar ontrafeld”, zegt Vallières. “Ik heb dit werk op conferenties gepresenteerd, mensen zijn geschokt… Het is waar, ik bedoel, wie brengt een focusserende parabool op één lijn met een Geigerteller? We hebben dit gedaan omdat het iets is dat we in het verleden hebben gedaan. Ik denk dat [dit werk] de ogen van mensen een beetje meer zal openen en dat ze voorzichtiger zullen zijn als ze een plasma in de lucht creëren. We hopen door dit werk de laserveiligheidsregelgeving te veranderen.”

Het onderzoek is beschreven in Laser- en fotonica-beoordelingen.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld