基于超快激光的电子束可以帮助探索闪光效应的放射生物学 – 物理世界

<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="研究团队 从左到右：史蒂夫·麦克莱恩、西尔万·富尔莫、弗朗索瓦·菲利安-古尔多、斯特凡·帕耶、西蒙·瓦利埃和弗朗索瓦·莱加雷。 （礼貌：INRS）”>

在国家科学研究所担任博士后研究员期间（INRS） 在加拿大， 西蒙·瓦利埃 一位同事找到了他，他做了一个令人费解的观察。这位同事正在使用 INRS 新升级的激光器在空气中产生等离子体 先进激光光源（ALLS）实验室 当他们注意到盖革计数器上的读数高于预期时。

“他将运行频率为 100 Hz 的激光在空气中聚焦，并将盖革计数器放在焦点附近。即使距离焦点三米，他的盖革计数器也会发出咔哒声，”现为 INRS 研究员的 Vallières 说道。 “X 射线或电子的传播距离相当远。我说，也许我们应该用校准良好的剂量计来测量[正在输送的剂量]。”

来自医学物理学家 麦吉尔大学健康中心 使用三个独立校准的辐射探测器测量了实验装置的辐射剂量。在距激光焦点 6 m 的距离以及固定距离的不同角度处测量了超过 XNUMX 个数量级的剂量。他们使用绝对剂量校准来确认数据。

激光器已从 µJ 级升级为 mJ 级高平均功率激光器。现在，随着激光紧密聚焦并调整到一组机会参数以在空气中产生等离子体，产生了剂量率为 1.4 Gy/s 时高达 0.15 MeV 的电子束。研究人员的发现突破了我们对高功率激光脉冲、辐射安全性甚至闪光放射疗法（一种新兴的癌症治疗技术）的了解。

以最佳参数运行

“我们的模型排除了其他可能发挥作用的加速机制。我们将其缩小到一种解释：这是激光电场的加速，称为有质动力加速，”Vallières 说。

研究人员在电离空气分子的情况下操作激光，然后利用激光电场将产生的电子加速到 1 MeV 以上。

“如果你告诉激光物理学家你可以在空气中聚焦激光并产生 1 MeV 电子，没有人会相信。这是因为在聚焦期间投入激光脉冲的能量越多，就会积累非线性效应，从而破坏光束的形状，并且强度会饱和。但事实证明我们非常幸运，”Vallières 说。 “波长、脉冲持续时间和焦距都发挥了作用。”

瓦利埃解释说，研究人员在电磁波谱的中红外部分操作激光。通过使用比大多数高平均功率激光器更长的波长（1.8 µm，而不是大约 800 nm），非线性像差得以减少。该波长也非常适合产生近临界密度的等离子体，有助于每个脉冲的高剂量。

研究人员还使用了短激光脉冲（12 fs）。这将非线性折射率（与空气分子中振荡的电子和空气分子本身的旋转有关的参数）降低了约 75%，这也限制了非线性效应。

通过紧密聚焦（短焦距），研究人员再次大幅减少了非线性效应。最终，激光达到了足够高的强度（峰值强度高达 10¹⁹ 宽/厘米²）以高达 1.4 MeV 的速度踢出电子。

FLASH、辐射安全应用

Infinite Potential Laboratories LP已为研究人员提供资金以推动研发并开发相关技术，并且至少一项专利正在申请中。

令人感兴趣的应用之一是 FLASH 效果。与传统放射治疗技术相比，FLASH放射治疗可快速提供高剂量的放射线，以更好地保护肿瘤周围的健康组织。研究人员基于激光的系统产生的电子束的瞬时剂量率比医用直线加速器高出几个数量级，即使是那些以闪存模式驱动的直线加速器。

“目前还没有研究能够解释 FLASH 效应背后的机制，”Vallières 说。 “我们希望能够开发一个细胞或小鼠辐射平台来研究 FLASH 的放射生物学。”

适用于电子闪光剂量测定的高能物理装置

辐射安全方面的经验教训也是瓦利埃的首要任务。如今的高平均功率激光器现在产生的激光束的强度与 2000 年代初期最大的激光器一样高，并且重复率要高得多，从而导致高剂量率。研究人员希望这项工作能够提高现场知识并制定辐射安全法规。

“我们观察到的电子能量使它们能够在空气中移动超过三米。我们发现了一个巨大的辐射危害，”Vallières 说道。 “我在会议上展示了这项工作，人们感到震惊......这是真的，我的意思是，谁将聚焦抛物线与盖革计数器对齐？我们这样做是因为这是我们过去做过的事情。我认为[这项工作]只会让人们的视野更加开阔，他们在空气中产生等离子体时会更加小心。我们希望通过这项工作改变激光安全法规。”

该研究描述于 激光与光子学评论.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-based-electron-beam-could-help-explore-radiobiology-of-the-flash-effect/