Сверхбыстрый электронный луч на основе лазера может помочь изучить радиобиологию эффекта FLASH – Мир физики

<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="Исследовательская команда Слева направо: Стив Маклин, Сильвен Фурмо, Франсуа Фийон-Гурдо, Стефан Пайер, Симон Вальер и Франсуа Легаре. (Любезно предоставлено: ИНРС)»>

Во время работы в качестве постдокторанта в Национальном институте научных исследований (INRS) в Канаде, Симон Вальер к нему подошел коллега и сделал загадочное наблюдение. Коллега создавал плазму в воздухе с помощью недавно модернизированного лазера в INRS. Лаборатория усовершенствованных лазерных источников света (ALLS) когда они заметили, что показания их счетчика Гейгера оказались выше ожидаемых.

«Он фокусировал лазер, работавший на частоте 100 Гц, в воздухе и помещал счетчик Гейгера близко к фокусному пятну. Даже в трех метрах от фокальной точки его счетчик Гейгера щелкал», — говорит Вальер, ныне научный сотрудник INRS. «Это довольно большое расстояние для перемещения рентгеновских лучей или электронов. Я сказал, может быть, нам следует измерить [доставляемую дозу] хорошо откалиброванными дозиметрами».

Медицинские физики из Центр здоровья Университета Макгилла измерил дозу радиации на экспериментальной установке с тремя независимо калиброванными детекторами радиации. Измерялись дозы более восьми порядков на расстояниях до 6 м от фокуса лазера, а также под разными углами на фиксированных расстояниях. Для подтверждения данных они использовали калибровку абсолютной дозы.

Лазер был модернизирован с класса мкДж до лазера высокой средней мощности класса мДж. И теперь, когда лазер был тщательно сфокусирован и настроен на гибкий набор параметров для создания плазмы в воздухе, был получен электронный луч, достигающий энергии 1.4 МэВ при мощности дозы 0.15 Гр/с. Открытие исследователей расширяет границы наших знаний о мощных лазерных импульсах, радиационной безопасности и, возможно, даже FLASH-радиотерапии, новом методе лечения рака.

Работа с оптимальными параметрами

«Наши модели исключили другие механизмы ускорения, которые могли сыграть свою роль. Мы сузили это до одного объяснения: это было ускорение от электрического поля лазера, известное как пондеромоторное ускорение», — говорит Вальер.

Исследователи эксплуатировали лазер в режиме, при котором молекулы воздуха ионизировались, а затем использовали электрическое поле лазера для ускорения образующихся электронов с энергией выше 1 МэВ.

«Если вы скажете физикам-лазерщикам, что можно сфокусировать лазер в воздухе и произвести электроны с энергией 1 МэВ, никто этому не поверит. Это потому, что чем больше энергии вы вкладываете в лазерные импульсы, в течение периода фокусировки вы накапливаете нелинейные эффекты, которые разрушают форму луча, и вы насыщаетесь по интенсивности. Но оказывается, нам очень повезло», — говорит Вальер. «Длина волны, длительность импульса и фокусное расстояние — все это сыграло роль».

Вальер объясняет, что исследователи работали с лазером в средней инфракрасной части электромагнитного спектра. Благодаря использованию более длинной волны, чем у большинства лазеров средней мощности (1.8 мкм вместо около 800 нм), нелинейные аберрации были уменьшены. Эта длина волны также идеальна для создания плазмы с плотностью, близкой к критической, что способствует получению высокой дозы на импульс.

Исследователи также использовали короткий лазерный импульс (12 фс). Это уменьшило нелинейный показатель преломления – параметр, связанный с электронами, которые колеблются в молекулах воздуха, и вращением самих молекул воздуха – примерно на 75%, что также ограничило нелинейные эффекты.

При жесткой фокусировке (коротком фокусном расстоянии) исследователи снова резко снизили нелинейные эффекты. В конечном итоге лазер достиг достаточно высокой интенсивности (пиковые интенсивности до 10¹⁹ Вт / см²) для выбивания электронов с энергией до 1.4 МэВ.

FLASH, приложения радиационной безопасности

Infinite Potential Laboratories LP предоставила исследователям финансирование для продвижения исследований и разработок и разработки соответствующих технологий, и по крайней мере один патент находится на рассмотрении.

Одним из интересных приложений является эффект FLASH. По сравнению с традиционными методами лучевой терапии, FLASH-лучевая терапия может использоваться для быстрой доставки высоких доз радиации для лучшей защиты здоровых тканей вокруг опухоли. Мгновенная мощность дозы электронных сгустков, создаваемых лазерной системой исследователей, на порядки выше, чем у медицинских линейных ускорителей, даже тех, которые работают в режиме FLASH.

«Ни одно исследование пока не смогло объяснить механизм эффекта FLASH», — говорит Вальер. «Мы надеемся, что сможем разработать платформу для облучения клеток или мышей для изучения радиобиологии FLASH».

Приборы физики высоких энергий, адаптированные для электронной FLASH-дозиметрии

Уроки радиационной безопасности также являются для Вальера приоритетом. Сегодняшние лазеры высокой средней мощности производят лазерные лучи с такой же интенсивностью, как и самые крупные лазеры начала 2000-х годов, и с гораздо более высокой частотой повторения, что приводит к высоким мощностям дозы. Исследователи надеются, что эта работа улучшит знания на местах и ​​приведет к разработке правил радиационной безопасности.

«Энергия электронов, которую мы наблюдали, позволяет им путешествовать по воздуху более чем на три метра. Мы раскрыли большую радиационную опасность», — говорит Вальер. «Я представлял эту работу на конференциях, люди в шоке… Верно, я имею в виду, кто выравнивает фокусирующую параболу по счетчику Гейгера? Мы сделали это, потому что это то, что мы делали в прошлом. Я думаю, что [эта работа] просто откроет людям глаза немного больше, и они будут более осторожными, создавая плазму в воздухе. Благодаря этой работе мы надеемся изменить правила безопасности при использовании лазеров».

Исследование описано в Обзоры лазеров и фотоники.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-based-electron-beam-could-help-explore-radiobiology-of-the-flash-effect/