Chùm điện tử dựa trên laser cực nhanh có thể giúp khám phá sinh học phóng xạ của hiệu ứng FLASH – Vật lý Thế giới

Chùm điện tử dựa trên laser cực nhanh có thể giúp khám phá sinh học phóng xạ của hiệu ứng FLASH – Vật lý Thế giới

Dấu thời gian: ngày 10 tháng 2024 năm 5 57:XNUMX sáng

<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="Đội nghiên cứu Từ trái sang phải: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières và François Légaré. (Được phép: INRS)”> Nhóm nghiên cứu INRS
Đội nghiên cứu Từ trái sang phải: Steve MacLean, Sylvain Fourmaux, François Fillion-Gourdeau, Stéphane Payeur, Simon Vallières và François Légaré. (Được phép: INRS)

Trong thời gian làm nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) ở Canada, Simon Vallieres đã được tiếp cận bởi một đồng nghiệp đã đưa ra một quan sát khó hiểu. Người đồng nghiệp đang tạo ra plasma trong không khí bằng cách sử dụng tia laser mới được nâng cấp tại INRS. Phòng thí nghiệm Nguồn sáng Laser nâng cao (ALLS) khi họ nhận thấy kết quả trên máy đếm Geiger của họ cao hơn mong đợi.

“Anh ấy đang tập trung tia laser đang chạy ở tần số 100 Hz vào không khí và đặt máy đếm Geiger gần tiêu điểm. Vallières, hiện là cộng tác viên nghiên cứu tại INRS, cho biết thậm chí cách xa tiêu điểm ba mét, máy đếm Geiger của anh ấy vẫn kêu lách cách. “Đó là một khoảng cách khá xa để tia X hoặc electron truyền đi. Tôi nói, có lẽ chúng ta nên đo [liều được phân phối] bằng liều kế được hiệu chuẩn tốt.”

Các nhà vật lý y tế từ Trung tâm Y tế Đại học McGill đã đo liều bức xạ từ thiết lập thí nghiệm bằng ba máy dò bức xạ được hiệu chỉnh độc lập. Liều được đo theo tám bậc độ lớn ở khoảng cách lên tới 6 m tính từ tiêu điểm laser, cũng như đối với các góc khác nhau ở khoảng cách cố định. Họ đã sử dụng hiệu chuẩn liều lượng tuyệt đối để xác nhận dữ liệu.

Laser đã được nâng cấp từ laser công suất trung bình cao cấp µJ- lên loại mJ. Và giờ đây, với tia laser được tập trung chặt chẽ và điều chỉnh theo một bộ thông số cơ hội để tạo ra plasma trong không khí, một chùm tia điện tử đạt tới 1.4 MeV ở tốc độ liều 0.15 Gy/s đã được tạo ra. Phát hiện của các nhà nghiên cứu đã mở rộng ranh giới hiểu biết của chúng ta về xung laser công suất cao, an toàn bức xạ và thậm chí có thể là xạ trị FLASH, một kỹ thuật điều trị ung thư mới nổi.

Vận hành với thông số tối ưu

“Mô hình của chúng tôi đã loại trừ các cơ chế tăng tốc khác có thể đóng vai trò nào đó. Chúng tôi thu hẹp nó lại thành một lời giải thích: đây là gia tốc từ điện trường laser, được gọi là gia tốc phản lực,” Vallières nói.

Các nhà nghiên cứu đang vận hành tia laser ở chế độ ion hóa các phân tử không khí và sau đó khai thác điện trường của tia laser để tăng tốc các electron thu được trên 1 MeV.

“Nếu bạn nói với các nhà vật lý laser rằng bạn có thể tập trung tia laser vào không khí và tạo ra electron 1 MeV, sẽ không ai tin điều đó. Đó là bởi vì bạn càng đưa nhiều năng lượng vào các xung laser thì trong thời gian lấy nét, bạn sẽ tích lũy các hiệu ứng phi tuyến làm phá hủy hình dạng của chùm tia và bạn sẽ bão hòa về cường độ. Nhưng hóa ra chúng tôi đã rất may mắn”, Vallières nói. “Bước sóng, thời lượng xung và độ dài tiêu cự đều đóng một vai trò nào đó.”

Vallières giải thích rằng các nhà nghiên cứu đang vận hành tia laser ở phần hồng ngoại giữa của phổ điện từ. Bằng cách sử dụng bước sóng dài hơn hầu hết các laser công suất trung bình cao (1.8 µm thay vì khoảng 800 nm), quang sai phi tuyến đã giảm. Bước sóng này cũng lý tưởng để tạo ra plasma ở mật độ gần tới hạn, góp phần tạo ra liều lượng cao trên mỗi xung.

Các nhà nghiên cứu cũng sử dụng xung laser ngắn (12 fs). Điều này làm giảm chiết suất phi tuyến – một thông số liên quan đến các electron dao động trong các phân tử không khí và sự quay của chính các phân tử không khí – khoảng 75%, điều này cũng hạn chế các hiệu ứng phi tuyến.

Với khả năng lấy nét chặt chẽ (tiêu cự ngắn), các nhà nghiên cứu lại giảm đáng kể các hiệu ứng phi tuyến. Cuối cùng, tia laser đạt đến cường độ đủ cao (cường độ cực đại lên tới 1019 W / cm2) để đẩy các electron lên tới 1.4 MeV.

FLASH, ứng dụng an toàn bức xạ

Phòng thí nghiệm tiềm năng vô hạn LP đã cung cấp kinh phí cho các nhà nghiên cứu để thúc đẩy hoạt động R&D và phát triển các công nghệ liên quan, đồng thời ít nhất một bằng sáng chế đang chờ xử lý.

Một ứng dụng được quan tâm là hiệu ứng FLASH. So với các kỹ thuật xạ trị thông thường, xạ trị FLASH có thể được sử dụng để nhanh chóng cung cấp liều phóng xạ cao nhằm bảo vệ tốt hơn các mô khỏe mạnh xung quanh khối u. Tỷ lệ liều tức thời của các chùm electron được tạo ra bởi hệ thống dựa trên tia laser của các nhà nghiên cứu cao hơn nhiều bậc so với các máy gia tốc tuyến tính y tế, ngay cả những máy được điều khiển ở chế độ FLASH.

Vallières cho biết: “Chưa có nghiên cứu nào có thể giải thích cơ chế đằng sau hiệu ứng FLASH”. “Chúng tôi hy vọng có thể phát triển nền tảng bức xạ tế bào hoặc chuột để nghiên cứu sinh học phóng xạ của FLASH.”

Các bài học về an toàn bức xạ cũng là ưu tiên hàng đầu của Vallières. Các tia laser công suất trung bình cao ngày nay tạo ra các chùm tia laser có cường độ cao bằng các tia laser lớn nhất đầu những năm 2000 và ở tốc độ lặp lại cao hơn nhiều – dẫn đến suất liều cao. Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng công trình này sẽ cải thiện kiến ​​thức ở cấp độ hiện trường và dẫn tới các quy định về an toàn bức xạ.

“Năng lượng điện tử mà chúng tôi quan sát được cho phép chúng di chuyển hơn ba mét trong không khí. Chúng tôi đã làm sáng tỏ mối nguy hiểm bức xạ lớn,” Vallières nói. “Tôi đã trình bày công trình này tại các hội nghị, mọi người đều bị sốc… Ý tôi là đúng, ai đã căn chỉnh một parabol tập trung với máy đếm Geiger? Chúng tôi làm điều này bởi vì đó là điều chúng tôi đã làm trong quá khứ. Tôi nghĩ [công việc này] sẽ giúp mọi người mở rộng tầm mắt hơn một chút và họ sẽ cẩn thận hơn khi tạo ra plasma trong không khí. Chúng tôi hy vọng sẽ thay đổi quy định an toàn laser thông qua công việc này.”

Nghiên cứu được mô tả trong Đánh giá về Laser & Quang tử.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý