Ultrasnabb laserbaserad elektronstråle kan hjälpa till att utforska radiobiologin av FLASH-effekten – Physics World

Ultrasnabb laserbaserad elektronstråle kan hjälpa till att utforska radiobiologin av FLASH-effekten – Physics World

Tidsstämpel: 10 januari 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 Från vänster till höger: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières och François Légaré. (Med tillstånd: INRS)"> INRS forskargrupp
Forskningsteam Från vänster till höger: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières och François Légaré. (Med tillstånd: INRS)

Under sin tid som postdoktor vid Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) i Kanada, Simon Vallières kontaktades av en kollega som hade gjort en förbryllande observation. Kollegan skapade ett plasma i luften med en nyuppgraderad laser hos INRS Laboratoriet för avancerad laserljuskälla (ALLS). när de märkte att avläsningarna på deras geigerräknare var högre än förväntat.

"Han fokuserade lasern, som körde på 100 Hz, i luften och satte en geigerräknare nära brännpunkten. Till och med tre meter från brännpunkten klickade hans geigerräknare”, säger Vallières, nu forskarassistent vid INRS. "Det är ganska långt för röntgenstrålar eller elektroner att resa. Jag sa, vi kanske borde mäta [dosen som levereras] med välkalibrerade dosimetrar."

Medicinska fysiker från McGill University Health Center mätte stråldosen från försöksuppställningen med tre oberoende kalibrerade strålningsdetektorer. Doser mättes över åtta storleksordningar på avstånd upp till 6 m från laserfokus, samt för olika vinklar på fasta avstånd. De använde absoluta doskalibreringar för att bekräfta uppgifterna.

Lasern hade uppgraderats från en µJ- till en laser med hög medeleffekt av mJ-klass. Och nu, med lasern hårt fokuserad och inställd på en opportunistisk uppsättning parametrar för att skapa ett plasma i luften, producerades en elektronstråle som nådde upp till 1.4 MeV med en doshastighet på 0.15 Gy/s. Forskarnas fynd tänjer på gränserna för vår kunskap om laserpulser med hög effekt, strålsäkerhet och kanske till och med FLASH-strålbehandling, en framväxande cancerbehandlingsteknik.

Fungerar med optimala parametrar

"Våra modeller uteslöt andra accelerationsmekanismer som kunde ha spelat en roll. Vi minskade det till en förklaring: det här var acceleration från det elektriska laserfältet, känt som ponderomotivacceleration, säger Vallières.

Forskarna körde lasern i en regim som joniserade luftmolekyler och sedan utnyttjade laserns elektriska fält för att accelerera de resulterande elektronerna över 1 MeV.

"Om du säger till laserfysiker att du kan fokusera en laser i luft och producera 1 MeV elektroner, kommer ingen att tro det. Det beror på att ju mer energi du lägger på laserpulser, under fokuseringsperioden, kommer du att ackumulera olinjära effekter som kommer att förstöra strålens form, och du kommer att mättas i intensitet. Men det visar sig att vi hade väldigt tur, säger Vallières. "Våglängden, pulslängden och brännvidden spelade alla en roll."

Vallières förklarar att forskarna opererade lasern i den mellaninfraröda delen av det elektromagnetiska spektrumet. Genom att använda en längre våglängd än de flesta lasrar med hög medeleffekt (1.8 µm istället för runt 800 nm), reducerades olinjära aberrationer. Denna våglängd är också idealisk för att skapa ett plasma med nästan kritisk densitet, vilket bidrar till en hög dos per puls.

Forskarna använde också en kort laserpuls (12 fs). Detta minskade det olinjära brytningsindexet – en parameter relaterad till elektronerna som oscillerar i luftmolekyler och själva rotationen av luftmolekylerna – med cirka 75 %, vilket också begränsade olinjära effekter.

Med snäv fokusering (en kort brännvidd) reducerade forskarna återigen drastiskt de olinjära effekterna. I slutändan nådde lasern en tillräckligt hög intensitet (toppintensiteter upp till 1019 W / cm2) för att sparka ut elektroner vid upp till 1.4 MeV.

FLASH, strålsäkerhetsapplikationer

Infinite Potential Laboratories LP har gett finansiering till forskarna för att driva FoU framåt och utveckla relaterade teknologier, och minst ett patent är under behandling.

En tillämpning av intresse är FLASH-effekten. Jämfört med konventionella strålterapitekniker kan FLASH-strålbehandling användas för att snabbt leverera höga doser av strålning för att bättre skydda den friska vävnaden runt en tumör. Momentana doshastigheter av elektronknippen som produceras av forskarnas laserbaserade system är storleksordningar högre än medicinska linjäracceleratorer, även de som drivs i FLASH-läge.

"Ingen studie har kunnat förklara mekanismen bakom FLASH-effekten ännu", säger Vallières. "Vi hoppas att vi kan utveckla en cell- eller mössstrålningsplattform för att studera radiobiologin hos FLASH."

Lektioner i strålsäkerhet har också hög prioritet för Vallières. Dagens lasrar med hög medeleffekt producerar nu laserstrålar med lika höga intensiteter som de största lasrarna i början av 2000-talet och med mycket högre upprepningsfrekvenser – vilket leder till höga doshastigheter. Forskarna hoppas att detta arbete förbättrar kunskapen på fältnivå och leder till strålsäkerhetsbestämmelser.

"Elektronenergierna vi observerade tillåter dem att färdas mer än tre meter i luften. Vi avslöjade en stor strålningsrisk, säger Vallières. "Jag har presenterat det här arbetet på konferenser, folk är chockade... Det är sant, jag menar, vem riktar en fokuserande parabel med en geigerräknare? Vi gjorde det här för att det är något vi har gjort tidigare. Jag tror att [det här arbetet] bara kommer att öppna människors ögon lite mer och de kommer att vara mer försiktiga när de skapar ett plasma i luften. Vi hoppas kunna ändra lasersäkerhetsförordningen genom detta arbete.”

Forskningen beskrivs i Laser & Photonics Recensioner.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden