Ultrarask laserbasert elektronstråle kan hjelpe til med å utforske radiobiologien til FLASH-effekten – Physics World

Ultrarask laserbasert elektronstråle kan hjelpe til med å utforske radiobiologien til FLASH-effekten – Physics World

Tidsstempel: 10. januar 2024 5:57

<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="Forskningsteam Fra venstre til høyre: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières og François Légaré. (Med tillatelse: INRS)"> INRS forskningsteam
Forskningsteam Fra venstre til høyre: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières og François Légaré. (Med tillatelse: INRS)

I løpet av sin tid som postdoktor ved Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) i Canada, Simon Vallières ble oppsøkt av en kollega som hadde gjort en gåtefull observasjon. Kollegaen laget et plasma i luften ved hjelp av en nylig oppgradert laser hos INRS Laboratoriet for avansert laserlyskilde (ALLS). da de la merke til at avlesningene på geigertelleren deres var høyere enn forventet.

"Han fokuserte laseren, som kjørte på 100 Hz, i luften og plasserte en geigerteller nær brennpunktet. Til og med tre meter unna brennpunktet klikket geigertelleren hans, sier Vallières, nå forskningsmedarbeider ved INRS. "Det er ganske langt for røntgenstråler eller elektroner å reise. Jeg sa, kanskje vi burde måle [dosen som leveres] med godt kalibrerte dosimetre.»

Medisinske fysikere fra McGill University Health Center målte stråledosen fra forsøksoppsettet med tre uavhengig kalibrerte strålingsdetektorer. Doser ble målt over åtte størrelsesordener på avstander opptil 6 m fra laserfokus, samt for forskjellige vinkler ved faste avstander. De brukte absolutte dosekalibreringer for å bekrefte dataene.

Laseren hadde blitt oppgradert fra en µJ- til en mJ-klasse laser med høy gjennomsnittlig effekt. Og nå, med laseren tett fokusert og innstilt på et opportunistisk sett med parametere for å skape et plasma i luft, ble det produsert en elektronstråle som nådde opp til 1.4 MeV med en dosehastighet på 0.15 Gy/s. Forskernes funn flytter grensene for vår kunnskap om laserpulser med høy effekt, strålesikkerhet og kanskje til og med FLASH-strålebehandling, en ny kreftbehandlingsteknikk.

Fungerer med optimale parametere

"Våre modeller utelukket andre akselerasjonsmekanismer som kunne ha spilt en rolle. Vi begrenset det til én forklaring: dette var akselerasjon fra det elektriske laserfeltet, kjent som ponderomotive-akselerasjon, sier Vallières.

Forskerne opererte laseren i et regime som ioniserte luftmolekyler og deretter utnyttet laserens elektriske felt for å akselerere de resulterende elektronene over 1 MeV.

"Hvis du forteller laserfysikere at du kan fokusere en laser i luft og produsere 1 MeV elektroner, vil ingen tro det. Det er fordi jo mer energi du legger inn i laserpulser, i løpet av fokusperioden, vil du akkumulere ikke-lineære effekter som vil ødelegge formen på strålen, og du vil mette i intensitet. Men det viser seg at vi var veldig heldige, sier Vallières. "Bølgelengden, pulsvarigheten og brennvidden spilte alle en rolle."

Vallières forklarer at forskerne opererte laseren i den midt-infrarøde delen av det elektromagnetiske spekteret. Ved å bruke en lengre bølgelengde enn de fleste lasere med høy gjennomsnittlig effekt (1.8 µm i stedet for rundt 800 nm), ble ikke-lineære aberrasjoner redusert. Denne bølgelengden er også ideell for å lage et plasma med nesten kritisk tetthet, noe som bidrar til en høy dose per puls.

Forskerne brukte også en kort laserpuls (12 fs). Dette reduserte den ikke-lineære brytningsindeksen - en parameter relatert til elektronene som oscillerer i luftmolekyler og rotasjonen av luftmolekylene selv - med omtrent 75%, noe som også begrenset ikke-lineære effekter.

Med tett fokusering (kort brennvidde) reduserte forskerne igjen drastisk ikke-lineære effekter. Til slutt nådde laseren en høy nok intensitet (toppintensiteter opp til 1019 W / cm2) for å sparke ut elektroner på opptil 1.4 MeV.

FLASH, strålesikkerhetsapplikasjoner

Infinite Potential Laboratories LP har gitt midler til forskerne for å presse FoU fremover og utvikle relaterte teknologier, og minst ett patent er under behandling.

En applikasjon av interesse er FLASH-effekten. Sammenlignet med konvensjonelle stråleterapiteknikker kan FLASH-strålebehandling brukes til å raskt levere høye doser stråling for bedre å beskytte det friske vevet rundt en svulst. Øyeblikkelige dosehastigheter av elektronbuntene produsert av forskernes laserbaserte system er størrelsesordener høyere enn medisinske lineære akseleratorer, selv de som drives i FLASH-modus.

"Ingen studie har vært i stand til å forklare mekanismen bak FLASH-effekten ennå," sier Vallières. "Vi håper vi kan utvikle en celle- eller musestrålingsplattform for å studere radiobiologien til FLASH."

Leksjoner i strålesikkerhet har også høy prioritet for Vallières. Dagens lasere med høy gjennomsnittlig effekt produserer nå laserstråler med like høye intensiteter som de største laserne på begynnelsen av 2000-tallet, og med mye høyere repetisjonshastigheter – noe som fører til høye doserater. Forskerne håper at dette arbeidet forbedrer kunnskapen på feltnivå og fører til strålesikkerhetsforskrifter.

"Elektronenergiene vi observerte gjør at de kan reise mer enn tre meter i luften. Vi avdekket en stor strålingsfare, sier Vallières. «Jeg har presentert dette arbeidet på konferanser, folk er sjokkert... Det er sant, jeg mener, hvem setter en fokuserende parabel på linje med en geigerteller? Vi gjorde dette fordi det er noe vi har gjort tidligere. Jeg tror [dette arbeidet] bare kommer til å åpne folks øyne litt mer, og de kommer til å være mer forsiktige når de lager et plasma i luften. Vi håper å endre lasersikkerhetsforskriften gjennom dette arbeidet.»

Forskningen er beskrevet i Laser & Photonics anmeldelser.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden