Fascicul de electroni ultrarapid bazat pe laser ar putea ajuta la explorarea radiobiologiei efectului 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="Echipa de cercetare De la stânga la dreapta: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières și François Légaré. (Cu amabilitatea: INRS)”>

În perioada în care a fost cercetător postdoctoral la Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) în Canada, Simon Vallières a fost abordat de un coleg care făcuse o observaţie uluitoare. Colegul a creat o plasmă în aer folosind un laser nou modernizat la INRS Laborator Advanced Laser Light Source (ALLS). când au observat că citirile de pe contorul lor Geiger erau mai mari decât se așteptau.

„El focaliza laserul, care rula la 100 Hz, în aer și punea un contor Geiger aproape de punctul focal. Chiar și la trei metri distanță de punctul focal, contorul lui Geiger făcea clic”, spune Vallières, acum asociat de cercetare la INRS. „Aceasta este o gamă destul de îndepărtată pentru că razele X sau electronii pot călători. Am spus, poate ar trebui să măsurăm [doza care se administrează] cu dozimetre bine calibrate.”

Fizicienii medicali din Centrul Universitar de Sănătate McGill a măsurat doza de radiație din configurația experimentală cu trei detectoare de radiații calibrate independent. Dozele au fost măsurate pe opt ordine de mărime la distanțe de până la 6 m de focalizarea laser, precum și pentru diferite unghiuri la distanțe fixe. Ei au folosit calibrări ale dozei absolute pentru a confirma datele.

Laserul a fost actualizat de la un µJ- la un laser de putere medie mare de clasă mJ. Și acum, cu laserul strâns focalizat și reglat la un set oportunist de parametri pentru a crea o plasmă în aer, a fost produs un fascicul de electroni care atinge până la 1.4 MeV la o rată de doză de 0.15 Gy/s. Descoperirea cercetătorilor depășește limitele cunoștințelor noastre despre impulsurile laser de mare putere, siguranța radiațiilor și poate chiar radioterapie FLASH, o tehnică emergentă de tratament a cancerului.

Funcționează cu parametri optimi

„Modelele noastre au exclus alte mecanisme de accelerare care ar fi putut juca un rol. Am restrâns-o la o singură explicație: aceasta a fost accelerația din câmpul electric laser, cunoscută sub numele de accelerație ponderomotivă”, spune Vallières.

Cercetătorii operau laserul într-un regim care ioniza moleculele de aer și apoi valorifica câmpul electric al laserului pentru a accelera electronii rezultați peste 1 MeV.

„Dacă le spui fizicienilor laser că poți focaliza un laser în aer și să produci electroni de 1 MeV, nimeni nu le va crede. Asta pentru că cu cât vei pune mai multă energie în impulsuri laser, în timpul perioadei de focalizare, vei acumula efecte neliniare care vor distruge forma fasciculului și vei satura în intensitate. Dar se pare că am fost foarte norocoși”, spune Vallières. „Lungimea de undă, durata pulsului și distanța focală au jucat toate un rol.”

Vallières explică că cercetătorii operau laserul în partea infraroșu mijlociu a spectrului electromagnetic. Folosind o lungime de undă mai mare decât majoritatea laserelor cu putere medie mare (1.8 µm în loc de aproximativ 800 nm), aberațiile neliniare au fost reduse. Această lungime de undă este, de asemenea, ideală pentru crearea unei plasme la densitate aproape critică, contribuind la o doză mare per impuls.

Cercetătorii au folosit și un impuls laser scurt (12 fs). Acest lucru a redus indicele de refracție neliniar – un parametru legat de electronii care oscilează în moleculele de aer și de rotația moleculelor de aer în sine – cu aproximativ 75%, ceea ce a limitat și efectele neliniare.

Cu o focalizare strânsă (o distanță focală scurtă), cercetătorii au redus din nou drastic efectele neliniare. În cele din urmă, laserul a atins o intensitate suficient de mare (intensități maxime de până la 10¹⁹ W / cm²) pentru a elimina electronii de până la 1.4 MeV.

FLASH, aplicații de siguranță împotriva radiațiilor

Infinite Potential Laboratories LP a oferit finanțare pentru cercetători pentru a promova cercetarea și dezvoltarea și pentru a dezvolta tehnologii conexe și cel puțin un brevet este în așteptare.

O aplicație de interes este efectul FLASH. În comparație cu tehnicile convenționale de radioterapie, radioterapia FLASH poate fi utilizată pentru a furniza rapid doze mari de radiații pentru a proteja mai bine țesutul sănătos din jurul unei tumori. Ratele de dozare instantanee ale grupurilor de electroni produse de sistemul bazat pe laser al cercetătorilor sunt ordine de mărime mai mari decât acceleratoarele liniare medicale, chiar și cele conduse în modul FLASH.

„Niciun studiu nu a putut explica încă mecanismul din spatele efectului FLASH”, spune Vallières. „Sperăm că putem dezvolta o platformă de radiații pentru celule sau șoareci pentru a studia radiobiologia FLASH”.

Dispozitive de fizică de înaltă energie adaptate pentru dozimetrie FLASH cu electroni

Lecțiile privind siguranța radiațiilor sunt, de asemenea, o prioritate ridicată pentru Vallières. Laserele de astăzi cu putere medie mare produc acum fascicule laser cu intensități la fel de mari ca cele mai mari lasere de la începutul anilor 2000 și cu rate de repetiție mult mai mari, ceea ce duce la rate mari de doză. Cercetătorii speră că această lucrare îmbunătățește cunoștințele la nivel de teren și duce la reglementări privind siguranța radiațiilor.

„Energiile electronilor pe care le-am observat le permit să călătorească mai mult de trei metri în aer. Am dezlegat un pericol mare de radiații”, spune Vallières. „Am prezentat această lucrare la conferințe, oamenii sunt șocați... E adevărat, adică, cine aliniază o parabolă de focalizare cu un contor Geiger? Am făcut asta pentru că este ceva ce am făcut în trecut. Cred că [această lucrare] va deschide ochii oamenilor un pic mai mult și vor fi mai atenți când vor crea o plasmă în aer. Sperăm să schimbăm regulamentul privind siguranța laserului prin această muncă.”

Cercetarea este descrisă în Recenzii Laser și Fotonică.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-based-electron-beam-could-help-explore-radiobiology-of-the-flash-effect/