Надшвидкий лазерний електронний промінь може допомогти вивчити радіобіологію ефекту 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="Дослідницька група From left to right: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières and François Légaré. (Courtesy: INRS)”>

Під час роботи докторантом у Національному науковому інституті (Institut National de la Recherche ScientifiqueINRS) в Канаді, Симон Вальєр до нього підійшов колега, який зробив загадкове спостереження. Колега створював плазму в повітрі за допомогою нещодавно модернізованого лазера в INRS Лабораторія сучасних лазерних джерел світла (ALLS). коли вони помітили, що показники їх лічильника Гейгера виявилися вищими, ніж очікувалося.

«Він фокусував лазер, який працював на частоті 100 Гц, у повітрі та наближав лічильник Гейгера до точки фокусу. Навіть за три метри від фокусної точки його лічильник Гейгера клацав», — каже Валльєр, нині науковий співробітник INRS. «Це досить далекий діапазон для подорожі рентгенівських променів або електронів. Я сказав, можливо, нам варто виміряти [дозу, що постачається] добре відкаліброваними дозиметрами».

Медичні фізики з Центр охорони здоров'я університету Макгілла вимірював дозу опромінення від експериментальної установки трьома незалежно відкаліброваними детекторами випромінювання. Дози вимірювали протягом восьми порядків на відстанях до 6 м від лазерного фокусу, а також під різними кутами на фіксованих відстанях. Для підтвердження даних вони використовували калібрування абсолютної дози.

Лазер було модернізовано з мкДж до лазера високої середньої потужності класу мДж. І тепер, коли лазер був чітко сфокусований і налаштований на необхідний набір параметрів для створення плазми в повітрі, був створений електронний промінь, що досягав 1.4 МеВ при потужності дози 0.15 Гр/с. Відкриття дослідників розширює межі наших знань про потужні лазерні імпульси, радіаційну безпеку та, можливо, навіть FLASH променеву терапію, новий метод лікування раку.

Працює з оптимальними параметрами

«Наші моделі виключили інші механізми прискорення, які могли зіграти свою роль. Ми звузили його до одного пояснення: це було прискорення від електричного поля лазера, відоме як пондеромоторне прискорення», — каже Вальєр.

Дослідники працювали на лазері в режимі, який іонізував молекули повітря, а потім використовував електричне поле лазера для прискорення отриманих електронів вище 1 МеВ.

«Якщо ви скажете лазерним фізикам, що ви можете сфокусувати лазер у повітрі та виробляти електрони з енергією 1 МеВ, ніхто в це не повірить. Це тому, що чим більше енергії ви вкладаєте в лазерні імпульси, під час періоду фокусування ви накопичуватимете нелінійні ефекти, які руйнуватимуть форму променя, і ви насичуватиметеся інтенсивністю. Але виявилося, що нам дуже пощастило», — каже Вальєр. «Довжина хвилі, тривалість імпульсу та фокусна відстань відіграли свою роль».

Вальєр пояснює, що дослідники працювали з лазером у середній інфрачервоній частині електромагнітного спектру. Завдяки використанню більшої довжини хвилі, ніж у більшості лазерів із середньою потужністю (1.8 мкм замість приблизно 800 нм), нелінійні аберації було зменшено. Ця довжина хвилі також ідеальна для створення плазми з майже критичною щільністю, сприяючи високій дозі на імпульс.

Дослідники також використовували короткий лазерний імпульс (12 фс). Це зменшило нелінійний показник заломлення – параметр, пов’язаний з електронами, які коливаються в молекулах повітря, і обертанням самих молекул повітря – приблизно на 75%, що також обмежило нелінійні ефекти.

Завдяки жорсткому фокусуванню (коротка фокусна відстань) дослідники знову різко зменшили нелінійні ефекти. Зрештою, лазер досяг достатньо високої інтенсивності (пікова інтенсивність до 10¹⁹ Вт / см²), щоб викинути електрони до 1.4 МеВ.

FLASH, програми радіаційної безпеки

Infinite Potential Laboratories LP надала фінансування дослідникам для просування науково-дослідних робіт і розробки відповідних технологій, і принаймні один патент очікує на розгляд.

Однією з цікавих програм є ефект FLASH. Порівняно зі звичайними методами променевої терапії, променева терапія FLASH може бути використана для швидкої доставки високих доз радіації для кращого захисту здорової тканини навколо пухлини. Миттєва потужність дози пучків електронів, створених дослідницькою лазерною системою, на порядки вище, ніж у медичних лінійних прискорювачів, навіть тих, що працюють у режимі FLASH.

«Жодне дослідження ще не змогло пояснити механізм, що стоїть за ефектом FLASH», — каже Вальєр. «Ми сподіваємося, що зможемо розробити платформу випромінювання клітин або мишей для вивчення радіобіології FLASH».

Фізичні прилади високих енергій, адаптовані для електронної FLASH дозиметрії

Уроки радіаційної безпеки також є пріоритетом для Vallières. Сучасні лазери високої середньої потужності виробляють лазерні промені з такою ж інтенсивністю, як найбільші лазери початку 2000-х років, і з набагато вищою частотою повторення, що призводить до високої потужності дози. Дослідники сподіваються, що ця робота покращить знання на польовому рівні та призведе до норм радіаційної безпеки.

«Енергія електронів, яку ми спостерігали, дозволяє їм подорожувати більше трьох метрів у повітрі. Ми розгадали велику радіаційну небезпеку», — каже Вальєр. «Я презентував цю роботу на конференціях, люди шоковані… Це правда, я маю на увазі, хто вирівнює фокусуючу параболу з лічильником Гейгера? Ми зробили це, тому що це те, що ми робили в минулому. Я думаю, що [ця робота] просто трохи більше розкриє людям очі, і вони будуть обережнішими, створюючи плазму в повітрі. Ми сподіваємося змінити правила лазерної безпеки завдяки цій роботі».

Дослідження описано в Огляди лазерів і фотоніки.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-based-electron-beam-could-help-explore-radiobiology-of-the-flash-effect/